DE102014207268A1 - Method for operating an internal combustion engine and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (7) mit wenigstens einem Zylinder (9) mit folgenden Schritten vorgeschlagen: – Erfassen eines Abgasparameters für wenigstens einen Zylinder (9) der Brennkraftmaschine (7), und – Ansteuern einer zylinderindividuellen Brennstoffzufuhreinrichtung (11) für den Zylinder (9) der Brennkraftmaschine (7) in Abhängigkeit von dem für diesen Zylinder (9) erfassten Abgasparameter.A method for operating an internal combustion engine (7) with at least one cylinder (9) is proposed with the following steps: detecting an exhaust gas parameter for at least one cylinder (9) of the internal combustion engine (7), and activating a cylinder-specific fuel supply device (11) for the cylinder (9) of the internal combustion engine (7) in dependence on the exhaust gas parameters detected for this cylinder (9).
Description
Die Erfindung bgetrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 6. The invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to
Beim Betreiben von Brennkraftmaschinen besteht typischerweise das Erfordernis, gesetzliche Emissionen einzuhalten, sowie den Betrieb der Brennkraftmaschine hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad zu optimieren. Dabei zeigt sich, dass die Emissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen bei ottomotorischen Brennverfahren empfindlich von einem Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brennstoff, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, abhängt. Insbesondere bei Gasmotoren, ganz besonders bei Magergasmotoren, existiert nur ein sehr kleiner, stabiler Bereich des Lamda-Werts, indem die Brennkraftmaschine einerseits ohne Klopfen und andererseits ohne Zündaussetzer betreibbar ist. Bei Brennkraftmaschinen, die mit Gemischverdichtung betrieben werden, ist eine relativ einfache Regelung des Brennverlaufs und somit der Emissionen, dem eigentlichen Zielwert, möglich. Gemischverdichtung bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Gaszudosierung vor Verdichter. Durch die dadurch sehr gute Homogenisierung des Gemisches werden alle Zylinder mit dem gleichen Kraftstoff-Luftverhältnis betrieben. Somit ist es möglich, über eine zentrale Messung von beispielsweise Stickoxid-Emissionen oder alternativ der Motorleistung, sowie weiteren Messdaten die Zylinder gleichzustellen. Allerdings weisen diese Brennkraftmaschinen das Problem auf, dass das Volumen zwischen Gaseindüsung und Zylindern mit einem explosionsfähigen Gemisch gefüllt ist, was abhängig von der konkreten Anwendung der Brennkraftmaschine aus Sicherheitsgründen nicht zulässig ist. Wird dagegen der Brennstoff dem Zylinder individuell zugemessen, beispielsweise über eine zylinderindividuelle Saugrohreindüsung oder als Direkteinspritzung, gestaltet sich die Regelung der Emissionen insbesondere wegen Streuungen der Brennstoffzumessventile sowie Streuungen in der Luftmenge zwischen einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine sehr viel schwieriger. When operating internal combustion engines there is typically the requirement to comply with legal emissions, and to optimize the operation of the internal combustion engine in terms of performance and efficiency. It shows that the emissions, in particular the nitrogen oxide emissions in Otto engine combustion processes sensitive to a ratio of combustion air to fuel, which is also referred to as lambda value depends. Particularly in the case of gas engines, in particular lean-burn engines, only a very small, stable range of the lambda value exists, in that the internal combustion engine can be operated on the one hand without knocking and, on the other hand, without misfiring. In internal combustion engines that are operated with mixture compression, a relatively simple control of the combustion process and thus the emissions, the actual target value, is possible. In this context, mixture compression refers to a gas metering in front of the compressor. Due to the very good homogenization of the mixture, all cylinders are operated with the same fuel-air ratio. Thus, it is possible to equate the cylinder over a central measurement of, for example, nitrogen oxide emissions or alternatively the engine power, and other measurement data. However, these internal combustion engines have the problem that the volume between gas injection and cylinders is filled with an explosive mixture, which is not permissible for safety reasons, depending on the specific application of the internal combustion engine. If, in contrast, the fuel is metered into the cylinder individually, for example via a cylinder-individual intake manifold injection or direct injection, the control of the emissions is much more difficult, in particular because of scattering of the fuel metering valves and scattering in the air quantity between individual cylinders of the internal combustion engine.
Es ist bekannt, die Verbrennung mittels Einzelzylinderdrucksensoren unter Berechnung des Brenn- oder Heizverlaufes zu regeln. Hierbei kann durch Anpassung der Brennstoffzumessung zu den einzelnen Zylindern eine Zylindergleichstellung erreicht werden. Die hiermit verbundene Heiz- und/oder Druckverlaufsanalyse ist allerdings aufwändig, insbesondere in Bezug auf eine Rechenkapazität des Steuergeräts und/oder eine räumliche Unterbringung der hierfür vorgesehenen Sensorik, sowie fehleranfällig auf Grund der Messtechnik, welche hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt ist. Diese Methodik wählt zudem den Umweg, die Emissionen mittels einer Korrelation über den Heizverlauf darzustellen. Weitere Einflussfaktoren, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, Ladelufttemperatur und Gaszusammensetzung, haben aber Einfluss auf diese Korrelation und müssen entsprechend in Korrekturkennfeldern hinterlegt werden. It is known to regulate the combustion by means of single-cylinder pressure sensors with calculation of the combustion or heating process. In this case, by adjusting the fuel metering to the individual cylinders, a cylinder equalization can be achieved. However, the associated heating and / or pressure curve analysis is complicated, in particular with regard to a computing capacity of the control device and / or a spatial location of the sensor provided for this purpose, as well as error-prone due to the measurement technique, which is exposed to high pressures and temperatures. This methodology also chooses the detour to represent the emissions by means of a correlation over the heating process. However, other influencing factors, such as air humidity, charge air temperature and gas composition, have an influence on this correlation and must accordingly be stored in correction maps.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches eine weniger anfällige und mit geringerem Aufwand durchführbare Regelung der Verbrennung erlaubt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche stabiler und weniger aufwändig regelbar ist. The invention is therefore based on the object to provide a method for operating an internal combustion engine, which allows a less vulnerable and feasible with less effort control of the combustion. Furthermore, the invention has for its object to provide an internal combustion engine, which is stable and less expensive to control.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird wenigstens ein Abgasparameter für wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine erfasst, und eine dem Zylinder separat zugeordnete Brennstoffzufuhreinrichtung wird in Abhängigkeit von dem für den Zylinder erfassten Abgasparameter angesteuert. Bevorzugt wird dabei der Abgasparameter durch Ansteuerung der dem Zylinder separat zugeordneten Brennstoffzufuhreinrichtung geregelt, insbesondere in einem zulässigen Bereich oder unter einem zulässigen Grenzwert gehalten. Auf der Grundlage des Abgasparameters ist eine einfache und stabile Regelung der Verbrennung der Brennkraftmaschine möglich, wobei es insbesondere keiner aufwändigen Heiz- oder Druckverlaufsanalyse bedarf. Es ist möglich, über ein Kennfeld, insbesondere unter Rückgriff auf einen Ladeluftdruck, anhand des Abgasparameters die Leistung der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Damit ist es zugleich möglich, die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu maximieren. Anhand des Abgasparameters kann auch eine Gesamtemissionsregelung der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Es zeigt sich außerdem, dass im Rahmen des Verfahrens direkt der zu regelnde Wert gemessen werden kann. The object is achieved by providing a method having the features of
Das Verfahren wird bevorzugt für einen Gasmotor, insbesondere für einen Magergasmotor, bevorzugt mit zylinderindividueller Gaszumischung, durchgeführt. Hierbei entfalten sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, da ein Magergasmotor nur in einem sehr engen Bereich von Lambda-Werten zwischen Klopfen einerseits und Aussetzen der Zündung andererseits betrieben werden kann. Dabei ist es anhand des Abgasparameters insbesondere ohne weiteres möglich, insbesondere durch Regelung der Stickoxid-Emissionen in einen zulässigen Bereich, auch den Lambda-Wert der Brennkraftmaschine innerhalb des zulässigen Bereichs zu halten. The method is preferably carried out for a gas engine, in particular for a lean-burn gas engine, preferably with cylinder-individual gas admixing. Here, the advantages of the method unfold in a special way, since a lean-burn gas engine can only be operated in a very narrow range of lambda values between knocking on the one hand and exposure of the ignition on the other hand. In particular, by controlling the nitrogen oxide emissions within a permissible range, it is possible to keep the lambda value of the internal combustion engine within the permissible range based on the exhaust gas parameter.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Abgasparameter ein Restsauerstoffgehalt im Abgas erfasst wird. Es ist demnach möglich, dass unmittelbar der Lambda-Wert für den Zylinder gemessen und zur Ansteuerung der zylinderindividuellen Brennstoffzufuhreinrichtung herangezogen wird. Hierdurch ist eine einfache und direkte Regelung der Brennkraftmaschine auf den zulässigen Lambda-Wertebereich möglich. Bei dieser Methode wird bevorzugt zusätzlich eine Korrektur bezüglich der Ladelufttemperatur, des Wassergehaltes der Ladeluft, und/oder der Brenngaszusammensetzung durchgeführt, da diese Parameter einen Einfluss auf die Verbrennung und somit das Emissionsniveau aufweisen. Insbesondere kann sich der zulässige Bereich von Lambda-Werten abhängig von diesen Parametern verschieben, wodurch eine entsprechende Korrektur notwendig wird. An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that a residual oxygen content in the exhaust gas parameter Exhaust gas is detected. It is therefore possible that the lambda value for the cylinder is measured directly and used to control the cylinder-specific fuel supply device. As a result, a simple and direct control of the internal combustion engine to the permissible lambda value range is possible. In this method, a correction is preferably additionally carried out with regard to the charge air temperature, the water content of the charge air, and / or the fuel gas composition, since these parameters have an influence on the combustion and thus the emission level. In particular, the allowable range of lambda values may shift depending on these parameters, thereby necessitating a corresponding correction.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt eine Emission oder Konzentration eines Stoffs oder Stoffgemischs im Abgas, insbesondere eine Stickoxidemission oder Stickoxidkonzentration, als Abgasparameter erfasst. Es ist auch möglich, dass eine Kohlenwasserstoff- oder Kohlenmonoxid-Konzentration erfasst wird, wobei in diesem Fall wiederum eine Korrektur bezüglich weiterer Parameter, insbesondere anhand von Korrekturkennfeldern, nötig ist. Die Stickoxidemissionen werden allerdings besonders bevorzugt – insbesondere zylinderindividuell – als Abgasparameter erfasst, wobei keine Korrektur nötig wird. Dies ist besonders vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen, die als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet sind. Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Brennverlauf bei Magergasmotoren direkt mit den Stickoxidemissionen korreliert. Daher werden bevorzugt im Rahmen des Verfahrens die Stickoxidemissionen geregelt, wodurch zugleich implizit eine geeignete Regelung des Brennverlaufs und insbesondere des Lambda-Werts erfolgt. Eine Verschiebung des zulässigen Lambda-Bereichs in Abhängigkeit von Parametern wie der Ladelufttemperatur, des Wassergehaltes der Ladeluft, und/oder der Brenngaszusammensetzung wird dabei ebenfalls implizit berücksichtigt. Insoweit gilt, dass die Brennkraftmaschine im zulässigen Lambda-Bereich betrieben wird, wenn die Stickoxidemissionen innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen. Dabei ist die Regelung über die Stickoxid-Emissionen besonders empfindlich und damit genau. In Abhängigkeit von der erfassten Stickoxidemission können durch geeignete Ansteuerung der zylinderindividuellen Brennstoffzufuhreinrichtung auch die Zylinder gleichgestellt werden, wodurch sich bevorzugt für den Gesamtmotor die gleichen Emissionen wie für den einzelnen Zylinder einstellen. Eine gesonderte Regelung des Brennverlaufs und insbesondere des Lambda-Werts kann mit dieser Methodik entfallen, da diese implizit über die Emissionsregelung geregelt wird/werden. Alternatively or additionally, an emission or concentration of a substance or substance mixture in the exhaust gas, in particular a nitrogen oxide emission or nitrogen oxide concentration, is preferably detected as the exhaust gas parameter. It is also possible for a hydrocarbon or carbon monoxide concentration to be detected, in which case, in turn, a correction with regard to further parameters, in particular based on correction characteristics, is necessary. However, the nitrogen oxide emissions are particularly preferably detected - in particular cylinder-specific - as exhaust gas parameters, with no correction being necessary. This is particularly advantageous in internal combustion engines, which are designed as gas engine, in particular as a lean-burn gas engine. It has been shown that the combustion process in lean gas engines correlates directly with the nitrogen oxide emissions. Therefore, the nitrogen oxide emissions are preferably controlled in the context of the method, whereby at the same time implicitly a suitable control of the combustion process and in particular of the lambda value takes place. A shift in the permissible lambda range as a function of parameters such as the charge air temperature, the water content of the charge air, and / or the fuel gas composition is likewise taken into account implicitly. In that regard, the internal combustion engine is operated in the permissible lambda range if the nitrogen oxide emissions are within a permissible range. The regulation on nitrogen oxide emissions is particularly sensitive and thus accurate. Depending on the detected nitrogen oxide emission, the cylinders can be equalized by suitable control of the cylinder-specific fuel supply device, whereby preferably set for the entire engine, the same emissions as for the individual cylinder. A separate regulation of the combustion process and in particular of the lambda value can be dispensed with with this method, since these are implicitly regulated by the emission regulation.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern aufweist, wobei für jeden Zylinder separat ein Abgasparameter, vorzugsweise die Stickoxidemissionen, erfasst wird, und wobei zylinderindividuelle Brennstoffzufuhreinrichtungen in Abhängigkeit von den erfassten Abgasparametern angesteuert werden. Es ist also jedem Zylinder eine zylinderindividuelle, separat ansteuerbare Brennstoffzufuhreinrichtung zugeordnet, die in Abhängigkeit von dem für den Zylinder separat erfassten Abgasparameter angesteuert wird. Somit kann jeder Zylinder individuell bezüglich seines Brennverlaufs und hier insbesondere bezüglich seiner Stickoxidemissionen geregelt werden. Dadurch ist es möglich, Streuungen der den Zylindern einzeln zugeordneten Ventile sowie auch Streuungen in der Verteilung der Verbrennungsluftmenge auf die Zylinder auszugleichen. Letztlich wird so eine Brennkraftmaschine, die eine Mehrzahl von Zylindern mit zylinderindividueller Brennstoffzufuhr aufweist, überhaupt erst stabil betreibbar, was ohne entsprechende Rückkopplung und insbesondere ohne Informationen aus dem Brennraum über die Konzentration eines Abgasparameters, vorzugsweise der Stickoxidemissionen, nicht oder höchstens unter Einhaltung extremer Sicherheitsmargen und damit erhöhtem Kraftstoffverbrauch möglich ist. It is also preferred an embodiment of the method, which is characterized in that the internal combustion engine having a plurality of cylinders, wherein for each cylinder separately an exhaust gas parameter, preferably the nitrogen oxide emissions, is detected, and wherein cylinder-specific fuel supply means are controlled in dependence on the detected exhaust gas parameters , Thus, each cylinder is assigned a cylinder-specific, separately controllable fuel supply device, which is controlled as a function of the exhaust gas parameter detected separately for the cylinder. Thus, each cylinder can be controlled individually with respect to its combustion process and here in particular with respect to its nitrogen oxide emissions. This makes it possible to compensate for variations in the cylinders individually associated valves as well as variations in the distribution of the amount of combustion air to the cylinder. Ultimately, such an internal combustion engine, which has a plurality of cylinders with cylinder-specific fuel supply, even stable operable, which without appropriate feedback and in particular without information from the combustion chamber on the concentration of an exhaust gas parameter, preferably the nitrogen oxide emissions, or at most in compliance with extreme safety margins and thus increased fuel consumption is possible.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zylinder in Bezug auf ihre Abgasparameter durch Ansteuerung der zylinderindividuellen Brennstoffzufuhreinrichtungen angeglichen werden. Besonders bevorzugt werden die Zylinder einander gleichgestellt. Es kann also im Rahmen des Verfahrens auf einfache und zuverlässige Weise eine Zylindergleichstellung durchgeführt werden. Dabei ist das letztlich zu erreichende Ziel darin zu sehen, die Zylinder bezüglich ihrer individuellen Stickoxidemissionen gleichzustellen, wodurch bevorzugt auch eine Gleichstellung der zylinderindividuellen Leistungsabgabe und des Wirkungsgrads erfolgt. Darüber hinaus ist es mithilfe des Verfahrens möglich, die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine zu regeln, indem die Zylinder hierfür in geeigneter Weise angesteuert werden. Durch Optimierung und Gleichstellung der verschiedenen Brennverläufe in den einzelnen Zylindern ist es dabei insbesondere möglich, die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Da es aufgrund der Zylindergleichstellung nicht nötig ist, große Sicherheitsmargen vorzugeben und damit einzelne Zylinder weit ab von einem optimalen Brennverlauf zu betreiben, können alle Zylinder in einem in Hinblick auf ihre Emissionen, ihre Leistung und ihren Wirkungsgrad möglichst günstigen Bereich betrieben werden. Insbesondere bei Abweichungen der Zylinderinnenströmungen und/oder -temperaturen einzelner Zylinder durch Bauteilstreuung – beispielsweise von Kanälen im Zylinderkopf –, welche sich auf den Brennverlauf und somit auf die Emissionen auswirken, können diese effektiv über einen zylinderindividuellen Lambda-Wert ausgeregelt werden, was bei einer oben erwähnten Gemischverdichtung nicht möglich ist. Particularly preferred is an embodiment of the method, which is characterized in that the cylinders are adjusted in relation to their exhaust gas parameters by controlling the cylinder-individual fuel supply means. Particularly preferably, the cylinders are equal to each other. It can therefore be carried out in the context of the process in a simple and reliable way, a cylinder equalization. Here, the ultimate goal to be achieved is to equate the cylinders with respect to their individual nitrogen oxide emissions, which preferably also equality of the cylinder-individual power output and the efficiency takes place. In addition, by means of the method it is possible to control the total emissions of the internal combustion engine by controlling the cylinders in a suitable manner for this purpose. By optimizing and equalizing the different combustion processes in the individual cylinders, it is possible in particular to reduce the total emissions of the internal combustion engine. Since it is not necessary due to the cylinder equalization, to set large safety margins and thus operate individual cylinders far from an optimal combustion history, all cylinders can be operated in a favorable in terms of their emissions, performance and efficiency range. In particular, in the case of deviations of the cylinder internal flows and / or temperatures of individual cylinders due to component scattering - for example of channels in the cylinder head - which have an effect on the combustion process and thus on the emissions, these can be effectively compensated via a cylinder-specific lambda value which is not possible with a mixture compression mentioned above.
Es wird insbesondere eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zylinder durch Ansteuern der zylinderindividuellen Brennstoffzufuhreinrichtungen auf eine vorherbestimmte Soll-Stickoxidemission geregelt werden. Dies erweist sich als besonders günstig bei einer Brennkraftmaschine, die als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet ist. Hierbei erfolgt nämlich mit der Regelung auf die Soll-Stickoxidemission zugleich eine Gleichstellung der Brennverläufe und insbesondere auch eine Gleichstellung der Stickoxidemissionen der einzelnen Zylinder. Dabei wird die Soll-Stickoxidemission bevorzugt so vorgegeben, dass die Leistung und der Wirkungsgrad der Zylinder maximiert werden. Die Brennkraftmaschine kann dann im Rahmen der gesetzlichen Vorgaben für die Stickoxidemissionen mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden. In particular, an embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the cylinders are controlled by controlling the cylinder-individual fuel supply means to a predetermined target nitrogen oxide emission. This proves to be particularly favorable in an internal combustion engine which is designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine. In this case, equalization of the combustion processes and, in particular, equality of the nitrogen oxide emissions of the individual cylinders also takes place with the control of the desired nitrogen oxide emission at the same time. In this case, the desired nitrogen oxide emission is preferably predetermined such that the power and the efficiency of the cylinders are maximized. The internal combustion engine can then be operated within the legal requirements for the nitrogen oxide emissions with maximum efficiency.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Diese weist wenigstens einen Zylinder und eine dem Zylinder separat zugeordnete Brennstoffzufuhreinrichtung auf. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich aus durch eine Abgassensoreinrichtung, die eingerichtet ist zur Erfassung eines dem Zylinder separat zugeordneten Messsignals. Dabei ist ein Steuergerät vorgesehen, das eingerichtet ist zur Ansteuerung der Brennstoffzufuhreinrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal. Besonders bevorzugt ist das Steuergerät eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Damit verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Jedenfalls ist die Brennkraftmaschine auf der Grundlage des von der Abgassensoreinrichtung erfassten Messsignals einfach und stabil in Hinblick auf ihre Verbrennung und insbesondere in Hinblick auf ihre Emissionen, bevorzugt in Hinblick auf ihre Stickoxidemissionen, regelbar. The object is also achieved by providing an internal combustion engine having the features of claim 6. This has at least one cylinder and a cylinder separately assigned to the fuel supply device. The internal combustion engine is characterized by an exhaust gas sensor device, which is set up for detecting a measurement signal separately assigned to the cylinder. In this case, a control device is provided, which is set up for controlling the fuel supply device as a function of the measurement signal. The control device is particularly preferably designed for carrying out a method according to one of the previously described embodiments. This realizes in connection with the internal combustion engine, the advantages that have already been explained in connection with the method. In any case, on the basis of the measurement signal detected by the exhaust gas sensor device, the internal combustion engine is simple and stable with regard to its combustion and in particular with regard to its emissions, preferably with regard to its nitrogen oxide emissions.
Die Abgassensoreinrichtung weist bevorzugt einen Lambda-Sensor auf. Durch diesen ist ein Restsauerstoffgehalt im Abgas erfassbar, sodass die Brennkraftmaschine unmittelbar auf einen zulässigen Bereich von Lambda-Werten regelbar und damit stabil ohne Klopfen und ohne Zündaussetzer betreibbar ist. Dabei ist allerdings typischerweise eine Korrektur insbesondere bezüglich der oben genannten Parameter nötig. The exhaust gas sensor device preferably has a lambda sensor. By means of this, a residual oxygen content in the exhaust gas can be detected so that the internal combustion engine can be controlled directly to a permissible range of lambda values and thus can be operated stably without knocking and without misfiring. However, this typically requires a correction, in particular with regard to the above-mentioned parameters.
Besonders bevorzugt wird allerdings ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem die Abgassensoreinrichtung zusätzlich oder alternativ einen Stickoxidsensor aufweist. Dabei hat sich insbesondere in Zusammenhang mit als Gasmotor, bevorzugt als Magergasmotor, ausgebildeten Brennkraftmaschinen herausgestellt, dass die Stickoxidemissionen direkt mit dem Brennverlauf in der Brennkraftmaschine korrelieren. Daher können diese in einfacher und zugleich sehr zuverlässiger Weise zur Regelung der Verbrennung – insbesondere zur Regelung der Stickoxidemissionen selbst – herangezogen werden. Dabei zeigt sich auch, dass ein Stickoxidsensor eine sehr viel höhere Messgenauigkeit aufweist, als ein zur Messung des Restsauerstoffgehalts vorgesehener Lambda-Sensor. Insbesondere ist die Genauigkeit eines Lambda-Sensors zur Regelung der Verbrennung in einem Gasmotor häufig nicht ausreichend. Demgegenüber stellt die Möglichkeit, die Verbrennung anhand des Messsignals eines Stickoxidsensors zu regeln, eine ebenso zuverlässige wie genaue und einfache Möglichkeit dar, die auch für Magergasmotoren mit ihrer sehr engen Bandbreite zulässiger Lambda-Werte durchführbar ist. Auch insoweit gilt, dass die Brennkraftmaschine in einem zulässigen Lambda-Bereich betrieben wird, wenn die Stickoxidemissionen in einem zulässigen Bereich liegen. Es bedarf daher bei einer Verwendung eines Stickoxidsensors typischerweise keiner weiteren Korrekturen. However, an embodiment of the internal combustion engine in which the exhaust gas sensor device additionally or alternatively has a nitrogen oxide sensor is particularly preferred. It has been found, in particular in connection with engine designed as a gas engine, preferably as a lean-burn engine, that the nitrogen oxide emissions correlate directly with the combustion process in the internal combustion engine. Therefore, these can be used in a simple and at the same time very reliable way of controlling the combustion, in particular for controlling the nitrogen oxide emissions themselves. This also shows that a nitrogen oxide sensor has a much higher accuracy than a lambda sensor provided for measuring the residual oxygen content. In particular, the accuracy of a lambda sensor for controlling combustion in a gas engine is often insufficient. In contrast, the possibility of controlling the combustion based on the measurement signal of a nitrogen oxide sensor is an equally reliable, accurate and simple possibility, which can also be carried out for lean-gas engines with their very narrow bandwidth of permissible lambda values. In that regard, too, the internal combustion engine is operated in a permissible lambda range if the nitrogen oxide emissions are within a permissible range. Therefore, it typically does not require any further corrections when using a nitrogen oxide sensor.
Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Zylindern auf, wobei jedem der Zylinder eine zylinderindividuelle Brennstoffzufuhreinrichtung zugeordnet ist. Die Abgassensoreinrichtung ist dabei eingerichtet, um jedem Zylinder separat ein Messsignal zuzuordnen. Das Steuergerät wiederum ist eingerichtet zur separaten Ansteuerung der zylinderindividuellen Brennstoffzufuhreinrichtungen in Abhängigkeit von den Messsignalen für die einzelnen Zylinder. Auf diese Weise ist eine zylinderindividuelle Regelung der Verbrennung möglich, insbesondere können die Zylinder aneinander angeglichen beziehungsweise gleichgestellt werden. Streuungen von zylinderindividuellen Ventilen sowie der Luftmengen zwischen den Zylindern können so ausgeglichen werden. Es ist möglich, alle Zylinder stabil bei maximaler Leistung und maximalem Wirkungsgrad zu betreiben, wobei die Emissionen der Brennkraftmaschine zugleich minimiert beziehungsweise in einem gesetzlich zulässigen Rahmen gehalten werden können. Ein Klopfen sowie Zündaussetzer werden sicher vermieden. The internal combustion engine preferably has a plurality of cylinders, wherein each of the cylinders is assigned a cylinder-specific fuel supply device. The exhaust gas sensor device is set up to separately allocate a measurement signal to each cylinder. The control unit in turn is set up for the separate control of the cylinder-specific fuel supply devices in dependence on the measurement signals for the individual cylinders. In this way, a cylinder-specific regulation of the combustion is possible, in particular, the cylinders can be equalized or equalized. Scattering of cylinder-specific valves and the air volumes between the cylinders can be compensated. It is possible to operate all cylinders stably at maximum power and maximum efficiency, while the emissions of the internal combustion engine can be minimized or kept within a legally permissible range at the same time. Knocking and misfiring are avoided.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Abgassensoreinrichtung stromabwärts eines jeden Zylinders einen dem jeweiligen Zylinder fest zugeordneten Abgassensor aufweist. Das Steuergerät ist bevorzugt mit den einzelnen Abgassensoren wirkverbunden, um deren Messsignale zylinderindividuell erfassen und den einzelnen Zylindern zuordnen zu können. Damit ist auf einfache Weise eine hochgenaue zylinderindividuelle Verbrennungsregelung möglich. An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the exhaust gas sensor device has an exhaust gas sensor fixedly assigned to the respective cylinder downstream of each cylinder. The control unit is preferably operatively connected to the individual exhaust gas sensors in order to detect their measurement signals individually for each cylinder and to be able to assign them to the individual cylinders. This is a simple way highly accurate cylinder-specific combustion control possible.
Alternativ wird bevorzugt, dass eine Mehrzahl von Zylindern mit einer gemeinsamen Abgasleitung verbunden sind, wobei in der Abgasleitung ein Abgassensor angeordnet ist, und wobei die Abgassensoreinrichtung eingerichtet ist zur zeitseparierten Erfassung von Messsignalen sowie zur Zuordnung eines Messsignals zu einem mit der Abgasleitung verbundenen Zylinder in Abhängigkeit von einem Messzeitpunkt des Messsignals. In diesem Fall wird bevorzugt über eine geschickte Verrohrung der Abgasleitung unter Zusammenfassung von Zylinder mit geeignetem – insbesondere möglichst großem – Zündabstand die Möglichkeit geschaffen, den Zylindern separat zuordenbare Messsignale mithilfe einer Anzahl von Abgassensoren zu erfassen, die geringer ist als die Anzahl der Zylinder. Einzelne Gruppen von Zylindern, die geeignete Zündabstände zueinander aufweisen, werden jeweils mit einer gemeinsamen Abgasleitung verbunden, wodurch mit dem in der Abgasleitung angeordneten Abgassensor zu bestimmten Zeitpunkten Messsignale erfassbar sind, die bestimmten Zylindern eindeutig zuordenbar sind. Es ist dabei möglich, dass als Zeitparameter nicht unmittelbar eine Zeit, sondern vielmehr ein Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine erfasst wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist es somit möglich, unter Einsatz einer reduzierten Zahl von Abgassensoren gleichwohl eindeutig zylinderindividuell einen Abgasparameter erfassen und so eine zylinderindividuelle Regelung implementieren zu können. Alternatively, it is preferred that a plurality of cylinders are connected to a common exhaust pipe, wherein an exhaust gas sensor is arranged in the exhaust pipe, and wherein the exhaust gas sensor device is adapted for time-separated detection of measurement signals and for assigning a measurement signal to a cylinder connected to the exhaust pipe in dependence from a measurement time of the measurement signal. In this case, it is preferably made possible via skilful piping of the exhaust pipe to combine cylinders with suitable - in particular the largest possible - ignition distance to detect the cylinders separately assignable measurement signals using a number of exhaust gas sensors, which is less than the number of cylinders. Individual groups of cylinders, which have suitable ignition distances from one another, are each connected to a common exhaust pipe, whereby measuring signals which can be unambiguously assigned to specific cylinders can be detected at certain points in time with the exhaust gas sensor arranged in the exhaust pipe. It is possible that as a time parameter not directly a time, but rather a crankshaft angle of the internal combustion engine is detected. In this embodiment of the internal combustion engine, it is thus possible, using a reduced number of exhaust gas sensors, however, to clearly detect an exhaust gas parameter individually for each cylinder and thus to be able to implement a cylinder-specific control.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennstoffzufuhreinrichtung als Einrichtung zur Direkteinspritzung von Brennstoff in einen Zylinder ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der Brennstoff unmittelbar in einen Brennraum einbringbar, sodass ein explosionsfähiges Gasvolumen stromaufwärts des Zylinders vollständig eliminiert wird. It is also preferred an embodiment of the internal combustion engine, which is characterized in that the fuel supply device is designed as a device for direct injection of fuel into a cylinder. In this way, the fuel is directly introduced into a combustion chamber, so that an explosive gas volume upstream of the cylinder is completely eliminated.
Es wird besonders ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennstoffzufuhreinrichtung als Saugrohreindüsung ausgebildet ist. Dabei ist bei einer solchen zylinderindividuellen Saugrohreindüsung ein Volumen von explosionsfähigem Gemisch stromaufwärts der Zylinder noch immer sehr klein, sodass eine solche Brennkraftmaschine sehr sicher betreibbar ist. Zum anderen sind Ventile für gasförmige Brennstoffe zur zylinderindividuellen Saugrohreindüsung mechanisch deutlich geringer belastet als zur Direkteinspritzung vorgesehene Ventile, sodass sie entsprechend einfacher ausgebildet und kostengünstiger sind. Der Einsatz von flüssigen Brennstoffen wird hierbei nicht ausgeschlossen. It is particularly preferred an embodiment of the internal combustion engine, which is characterized in that the fuel supply device is designed as Saugrohreindüsung. In this case, in such a cylinder-individual Saugrohreindüsung a volume of explosive mixture upstream of the cylinder is still very small, so that such an internal combustion engine is very safe to operate. On the other hand valves for gaseous fuels for cylinder-individual Saugrohreindüsung mechanically significantly less burdened than intended for direct injection valves, so they are designed according to simpler and cheaper. The use of liquid fuels is not excluded.
Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als Magergasmotor ausgebildet. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile der Erfindung, nämlich eine stabile und genaue Regelung der Verbrennung, insbesondere auch ein genaues und stabiles Einhalten eines zulässigen Bereichs von Lambda-Werten. Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem diese als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor, ausgebildet ist, wobei zugleich die Abgassensoreinrichtung eingerichtet ist zur zylinderindividuellen Erfassung einer Stickoxidemission. Die Brennkraftmaschine ist hierbei mit besonders hoher Genauigkeit regelbar. Finally, an embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the internal combustion engine is designed as a gas engine. Particularly preferably, the internal combustion engine is designed as a lean-burn gas engine. In doing so, the advantages of the invention are realized in a special way, namely a stable and precise control of the combustion, in particular also an accurate and stable compliance with a permissible range of lambda values. Particularly preferred is an embodiment of the internal combustion engine in which this is designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine, wherein at the same time the exhaust gas sensor device is set up for cylinder-specific detection of a nitrogen oxide emission. The internal combustion engine can be regulated with particularly high accuracy.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. The internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is used to drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine is used in a locomotive or a railcar, or ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank. An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, used for stationary power supply in emergency operation, continuous load operation or peak load operation, the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. A stationary application of the internal combustion engine for driving auxiliary equipment, such as fire pumps on oil rigs, is possible. Furthermore, an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas, possible. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator. The internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas. In particular, when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens ein Merkmal aus, das durch wenigstens einen Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Brennkraftmaschine bedingt ist. The description of the method on the one hand and the internal combustion engine on the other hand are to be understood as complementary to one another. In particular, features of the internal combustion engine that have been explicitly or implicitly described in connection with the method, preferably individually or combined features of a preferred Embodiment of the internal combustion engine. Method steps which have been described explicitly or implicitly in connection with the internal combustion engine are preferably individually or combined with one another Steps of a preferred embodiment of the method. The internal combustion engine is preferably characterized by at least one feature that is caused by at least one method step of the method. The method is preferably characterized by at least one method step, which is caused by at least one feature of the internal combustion engine.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:
Ein zweiter, strichpunktiert dargestellter Brennverlauf
Ein dritter Brennverlauf
Anhand der Brennverläufe
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist stromabwärts jedes Zylinders
Es ist ein Steuergerät
Das Steuergerät
Den Zylindern
Entlang individueller Abgasrohre
Mithilfe der hier beschriebenen Regelung ist es möglich, die Stickoxidemissionen der Zylinder
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