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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8, und eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9.
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Verfahren zum Betreiben von Brennkraftmaschinen sowie Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art sind grundsätzlich bekannt. Dabei besteht generell das Problem, dass sich schwankende Brennstoffqualitäten negativ auf den Betrieb einer Brennkraftmaschine auswirken. Exemplarisch zeigt sich dies insbesondere bei Gasmotoren, bei denen sich diese Problematik zukünftig voraussichtlich noch verschärfen wird. Durch eine zunehmende Beimischung von Flüssiggasen, Erdgasen verschiedener Herkunft und/oder Wasserstoff in das Erdgasnetz wird sich eine im Vergleich zum heutigen Stand noch deutlich größere Bandbreite an Brennstoffqualitäten ergeben. Dabei wird prognostiziert, dass eine Untergrenze für die Methanzahl des Erdgases, die momentan bei 80 liegt, in Zukunft wohl eher auf 65 herabgesetzt werden wird. Auch heute gibt es allerdings schon Regionen und Anwendungen mit massiv verschiedenen Brennstoffqualitäten. Schwankende Brennstoffqualitäten wirken sich insbesondere auf die Klopfempfindlichkeit einer Brennkraftmaschine aus. Bei niedrigen Methanzahlen müssen daher Wirkungsgradeinbußen oder Leistungseinbußen in Kauf genommen werden. Häufig erfolgt auf Grund der oben genannten thermodynamischen Nachteile auch eine Anpassung der Brennkraftmaschine auf das eingesetzte Gas über verschiedene Kolben, um verschiedene Verdichtungsverhältnisse darzustellen, was einen hohen Qualifizierungsaufwand mit sich bringt und somit wenig Anpassungsspielraum bei sich ändernden Gasqualitäten bietet. Gängige Maßnahmen zur Vermeidung oder Umgehung des Problems stellen eine Verschiebung der Klopfgrenze durch eine Verstellung des Zündzeitpunkts nach spät, eine Abmagerung der Ladung und/oder eine Leistungsreduktion bei reduzierter Brennstoffqualität dar. Jede dieser Maßnahmen hat jedoch einen verringerten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zur Folge. Bei Abmagerung steigen außerdem die Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas an. Eine Leistungsreduktion verträgt sich nicht mit den Interessen der Abnehmer der Brennkraftmaschine. Schließlich ist es auch möglich, die Brennkraftmaschine so auszulegen, dass ein Verdichtungsverhältnis so niedrig wie möglich gewählt wird, wobei ein auch bei schlechter Brennstoffqualität ausreichender Klopfabstand gewährleistet wird. Dies führt jedoch dazu, dass bei guter Brennstoffqualität Potential verschenkt wird.
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Die kanadische Patentanmeldung
CA 2 847 630 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors durch direktes Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs in die Verbrennungskammer.Dabei wird der gasförmige Kraftstoff mit Einspritzdrücken von mehr als 300 bar eingespritzt, und das Druckverhältnis zwischen dem Einspritzdruck des gasförmigen Kraftstoffs und dem Zylinderspitzendruck liegt zwischen 1,6:1 und 3:1. Der Einspritzdruck wird zwischen 300 und 540 bar gewählt. Zusätzlich kann der Einspritzdruck auf der Grundlage eines Bereichs für das Druckverhältnis ausgewählt werden.
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Weiterhin offenbart die österreichische Patentanmeldung
AT 512 114 A1 ein Verfahren zur Klopfregelung an einer Brennkraftmaschine. Mittels eines Sensors wird die Möglichkeit des Auftretens von Klopfen ermittelt. Beim Auftreten oder beim möglichen Auftreten von Klopfen wird gekühltes Abgas zurückgeführt.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 2003 / 014 552 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Einrichtung, die einen Lambda-1-Verbrennungsmotor, eine Brennstoffansaugleitung, ein in der Brennstoffansaugleitung angeordnetes Zusatzaggregat zur Verdichtung des zur Verbrennung erforderlichen Luft-Brennstoffgemisches, einen im Abgasstrom angeordneten Katalysator und eine in Strömungsrichtung nach dem Katalysator angeordnete und in die Brennstoffansaugleitung mündende Abgasrückführungsleitung zum Zuführen von gekühltem Abgas zum Luft -Brennstoffgemisch aufweist. Dabei wird die pro Zeiteinheit dem Luft-Brennstoffgemisch zuzuführende Abgasmenge in Abhängigkeit von der im Brennraum des Verbrennungsmotors gemessenen Brennraumtemperatur in Verbindung mit Lambdaregelung und Leistungsmessung geregelt.
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Weiterhin offenbart die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2007 027 484 A1 ein Verfahren zur Ermittlung des Durchbrennverhaltens eines Dieselkraftstoffes für eine DieselBrennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Zylinderdruckverlaufs mindestens eines Zylinders. Dabei wird aus dem Zylinderdruckverlauf eine Prozessgröße der Verbrennung ermittelt, die das Durchbrennverhalten charakterisiert.
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Zusätzlich offenbart die europäische Patentanmeldung
EP 0 648 930 A2 ein Verfahren zur Klopfregelung und/oder Klopfüberwachung für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern. Dabei werden die Verbrennungsbedingungen bei einem Zylinder gezielt so vorverändert, dass dieser Zylinder zuerst zu klopfen beginnt und nur eine Klopfüberwachung bei diesem Zylinder erforderlich ist, und dass durch gezielte Veränderung von Parametern die Brennkraftmaschine auch dann noch sicher weiterbetrieben werden kann, wenn aufgrund von Änderungen der Brennstoffqualität oder anderer Betriebsparameter eine klopfende Verbrennung einsetzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei wird wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Brennstoff zugeführt, und es wird wenigstens ein Parameter erfasst, der mit einer Qualität des zugeführten Brennstoffs korreliert. Eine Abgasrückführung in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter eingestellt. Über die Einstellung der Abgasrückführung ist es möglich, gezielt auf die Ladung und somit auch auf die Klopfneigung in dem Brennraum Einfluss zu nehmen. Aufgrund des hohen Inertgasanteils wirkt die Abgasrückführung stark klopfhemmend, indem sie die Ladung des Brennraums inertisiert, wobei die Verbrennung verlangsamt wird. Dabei ist der Effekt der Abgasrückführung auf die Reduktion der Klopfneigung deutlich ausgeprägter als ein entsprechender, mittels Abmagerung der Frischladung erreichbarer Effekt, was an dem hohen in Inertgasanteil des rückgeführten Abgases liegt. Es ist insbesondere möglich, bei - bezogen auf die Methanzahl - geringer Qualität des zugeführten Brennstoffs und insbesondere bei hoher Klopfneigung desselben, die Abgasrückführrate in den Brennraum zu erhöhen, auf diese Weise die Ladung in dem Brennraum zu inertisieren und die Klopfneigung zu verringern. Bei besserer Brennstoffqualität kann die Abgasrückführrate geringer eingestellt werden, weil der qualitativ höherwertige Brennstoff in geringerer Weise zu Klopfen neigt. Auf diese Weise wird kein Potential der Brennkraftmaschine verschenkt, und verschiedene Brennstoffqualitäten können ausgeregelt werden, ohne dass Nachteile bezüglich der Leistung und des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine in Kauf genommen werden müssen. Dadurch wird die Bandbreite der verwendbaren Brennstoffe durch den zusätzlichen Regelparameter der Abgasrückführung vergrößert, sodass sich quasi ein Vielstoffmotor - jedoch ohne dessen Nachteile - ergibt. Es bedarf keiner mit der Brennstoffqualität variierenden Kolben und/oder Verdichtungsverhältnisse, sodass eine Teilegleichheit der Brennkraftmaschine unabhängig von der Brennstoffqualität erreicht wird. Bei der Einstellung der Abgasrückführung handelt es sich nämlich um einen Parameter, der im Rahmen einer Steuerung oder Regelung angesteuert werden kann, ohne dass es eines Austauschs von Teilen der Brennkraftmaschine bedarf.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt eine Brennkraftmaschine mit Brenngas, insbesondere mit Magergas, beispielsweise Erdgas oder Biogas, betrieben. Dabei ist es möglich, im Rahmen des Verfahrens optimal auf verschiedene und/oder schwankende Methanzahlen des zugeführten Brenngases zu reagieren.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine variierende Brennstoffqualität durch Einstellen der Abgasrückführung ausgeregelt wird. Dabei bedarf es keiner gesonderten und insbesondere keiner manuellen Anpassung der Brennkraftmaschine an eine variierende Brennstoffqualität. Insbesondere bedarf es keines Austauschs von Teilen der Brennkraftmaschine. Vielmehr reagiert das Verfahren unmittelbar auf eine Variation der Brennstoffqualität, die auf diese Weise automatisch ausgeregelt wird. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Brenngas, insbesondere mit Magergas. Dies gilt insbesondere für eine stationäre Brennkraftmaschine, die beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt wird, und die an eine Erdgasleitung angeschlossen ist. Dabei ist es möglich, dass die Qualität und insbesondere die Methanzahl des durch die Erdgasleitung herangeführten Erdgases in unvorhergesehener Weise schwankt, wobei dieses Problem zukünftig noch zunehmen wird. Das Verfahren ermöglicht eine automatische und flexible Anpassung der Brennkraftmaschine auf die schwankende Qualität, insbesondere die schwankende Methanzahl, des durch die Erdgasleitung herangeführten Erdgases. Daraus ergibt sich eine Unabhängigkeit der Brennkraftmaschine von der angelieferten Gasqualität, was einen wesentlichen Vorteil und insbesondere einen einfachen Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass gekühltes Abgas in den Brennraum zurückgeführt wird. Es wird demnach eine gekühlte Abgasrückführung verwirklicht, die in besonderer Weise klopfhemmend wirkt. Der Effekt der Reduktion der Klopfneigung ist dabei noch deutlich ausgeprägter, als wenn das rückgeführte Abgas nicht gekühlt wird.
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Insbesondere wird eine Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem Parameter eingestellt. Vorzugsweise wird hierzu ein Abgasrückführregelorgan, insbesondere eine Drosselklappe, Abgasrückführklappe oder Regelklappe, in der Abgasrückführung angesteuert. Die Abgasrückführrate wird bevorzugt bei abnehmender Brennstoffqualität beziehungsweise erhöhter Klopfneigung des Brennstoffs erhöht, wobei sie bei steigender Brennstoffqualität beziehungsweise reduzierter Klopfneigung des Brennstoffs verringert wird. Besonders bevorzugt wird die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem Parameter geregelt. Auf diese Weise ist es sehr effizient möglich, schwankende Brennstoffqualitäten auszuregeln.
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Zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Kühlung des rückfgeführten Abgases in Abhängigkeit von dem Parameter eingestellt wird. Insbesondere ist es möglich, dass eine Kühlleistung eines Abgasrückführkühlers in Abhängigkeit von dem Parameter eingestellt wird. Besonders bevorzugt wird die Kühlung in Abhängigkeit von dem Parameter geregelt. Dabei wird das rückgeführte Abgas bevorzugt stärker gekühlt, wenn die Brennstoffqualität abbeziehungsweise die Klopfneigung des Brennstoffs zunimmt, wobei das Abgas weniger stark gekühlt wird, wenn die Brennstoffqualität zu- beziehungsweise die Klopfneigung des Brennstoffs abnimmt. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, besonders effizient schwankende Brennstoffqualitäten auszuregeln, sondern es ist insbesondere möglich, bei höherer Brennstoffqualität und geringerer Klopfneigung des Brennstoffs Kühlleistung einzusparen, die allerdings bei geringerer Brennstoffqualität und höherer Klopfneigung zur Verfügung gestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird als Parameter, der mit einer Qualität des zugeführten Brennstoffs korreliert, eine Stickoxid-Emission verwendet. Dabei zeigt sich, dass bei erhöhter Klopfneigung des Brennstoffs, insbesondere bei herabgesetzter Methanzahl, eine beschleunigte Verbrennung in dem Brennraum erfolgt, was zu einer erhöhten Stickoxid-Emission führt. Umgekehrt erfolgt bei höherer Brennstoffqualität, insbesondere bei höherer Methanzahl und geringerer Klopfneigung eine langsamere Verbrennung in dem Brennraum, was zu einer reduzierten Stickoxid-Emission führt. Daher ist die Stickoxid-Emission ein geeigneter und insbesondere bei einem Gasmotor sehr empfindlicher Indikator für die Brennstoffqualität.
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Zusätzlich ist es möglich, dass als Parameter ein Signal eines Klopfsensors verwendet wird. Dabei ist das - insbesondere betriebspunktabhängig erfasste - Auftreten eines Klopfsignals, welches durch einen Klopfsensor erfasst wird, unmittelbar ein Indikator für eine Qualität und insbesondere eine Klopfneigung eines Brennstoffs. Es ist daher in besonders einfacher Weise möglich, das Signal des Klopfsensors als Parameter für die Brennstoffqualität heranzuziehen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Parameter ein Zylinderdruckverlauf verwendet wird. Dieser wird bevorzugt mittels eines Zylinderdrucksensors als Druckverlauf in den Brennraum erfasst. Mithilfe des Zylinderdrucksenors ist es einerseits möglich, das Auftreten von Klopfen zu detektieren; der Zylinderdrucksensor ermöglicht dabei andererseits auch, über ein Druck- oder Brennverlaufsmodell die Stickoxid-Emission aus dem Brennraum zu bestimmen. Solche Modelle sind für sich genommen bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Jedenfalls kann/können mithilfe des Zylinderdruckverlaufs ein Klopfen erfasst und/oder eine Stickoxid-Emission bestimmt werden, sodass der Zylinderdruckverlauf sehr vielseitig als Parameter einsetzbar ist. Wird daher ein Zylinderdrucksensor verwendet, kann gegebenenfalls auf einen Klopfsensor und/oder einen Stickoxidsensor verzichtet werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Brennstoffqualität direkt, insbesondere über einen chemischen Sensor in einer Brennstoffleitung, zu erfassen. Auf diese Weise ist es möglich, die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs, insbesondere eine Methanzahl von Brenngas, direkt in der Brennstoffleitung zu ermitteln.
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Insbesondere wird ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter eingestellt. Das Verhältnis von Verbrennungsluftmasse zu Brennstoffmasse wird charakterisiert durch den λ-Wert in dem Brennraum. Es ist möglich, dass der λ-Wert erhöht und damit ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch abgemagert wird, wenn eine reduzierte Brennstoffqualität oder erhöhte Klopfneigung vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass der λ-Wert in diesem Fall abgesenkt und damit das Gemisch angefettet wird, was im Folgenden noch näher erläutert wird. In jedem Fall kann das Verfahren noch sensibler auf schwankende Brennstoffqualitäten reagieren, wenn zusätzlich zu der Abgasrückführung auch das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter eingestellt wird.
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Zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von der Einstellung der Abgasrückführung eingestellt wird. Dies entspricht letztlich einer mittelbaren Variation des λ-Werts in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter und damit der aktuell vorliegenden Brennstoffqualität. Besonders bevorzugt werden allerding die beiden Effekte kombiniert, sodass der λ-Wert, also das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis, sowohl in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter als auch in Abhängigkeit von der Einstellung der Abgasrückführung eingestellt wird. Dies ermöglicht eine besonders flexible und differenzierte Anpassung des Betriebs der Brennkraftmaschine auf variable Brennstoffqualitäten.
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Erfindungsgemäß wird eine Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine durch Anheben der Abgasrückführrate bei gleichzeitigem Absenken des Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnisses in einem vorherbestimmten Wertebereich gehalten. Dabei macht man sich in geschicker Weise gegenläufige Effekte zunutze: Durch die Inertisierung der Ladung in dem Brennraum aufgrund der angehobenen Abgasrückführrate sinken die Stickoxid-Emissionen. Dies kann allerding kompensiert werden, indem der Sauerstoffanteil der Ladung abgesenkt wird, was insbesondere durch Anfetten des Gemischs und/oder durch Reduktion der Luftzufuhr in den Brennraum möglich ist. Dies ermöglicht einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei besserem Wirkungsgrad. Besonders bevorzugt werden im Rahmen des Verfahrens durch Ausnutzung dieser gegenläufigen Effekte, also Anheben der Abgasrückführrate bei gleichzeitigem Absenken des λ-Werts, die Stickoxid-Emissionen konstant gehalten. Insbesondere werden die Stickoxid-Emissionen bevorzugt auf einen gesetzlichen Maximalwert, gegebenenfalls unter Einhaltung einer Sicherheitsmarge, eingestellt. Damit wird auch bei schwankenden Brennstoffqualitäten ein Betrieb der Brennkraftmaschine innerhalb der gesetzlichen Vorgaben, jedoch bei maximalem Wirkungsgrad ermöglicht.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis durch Einstellen einer Aufladung der Brennkraftmaschine variiert wird. In diesem Fall wird das Gemisch nicht dadurch angefettet, dass die dem Brennraum zugemessene Brennstoffmasse vergrößert wird, sondern vielmehr durch Reduzierung der Luftzufuhr über die Aufladung. Dabei wird besonders bevorzugt eine geregelte Aufladung, insbesondere mittels wenigstens eines Abgasturboladers, verwendet. Die im Rahmen des Verfahrens bevorzugt vorgesehene Reduktion der Luftzufuhr bei gleichzeitiger Anhebung der Abgasrückführrate entlastet die Aufladung. Hierdurch kann insbesondere der Effekt einer geringeren Enthalpie für den Abgasturbolader aufgrund der Abzweigung von Abgas im Rahmen der Abgasrückführung zumindest teilweise kompensiert werden. Mithilfe der geregelten Aufladung sind darüber hinaus einerseits der λ-Wert in dem Brenngas und andererseits die Abgasrückführung und damit der Inertgasanteil in dem Brennraum unabhängig voneinander einstellbar. Die Aufladung wird bevorzugt lastpunktabhängig eingestellt.
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Insgesamt wird im Rahmen des Verfahrens bevorzugt eine kombinierte Regelung mit einer Variation einerseits des λ-Werts und andererseits der Abgasrückführung durchgeführt. Hierzu wird bevorzugt ein Kennfeld verwendet, welches Sollwerte für den λ-Wert und die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von einer Brennstoffqualität, insbesondere einer Methanzahl aufweist. Die Methanzahl wird bevorzugt mittels eines Stickoxidsensors, mithilfe eines Klopfsensors und/oder mithilfe eines Zylinderdrucksensors ermittelt, wobei insbesondere beginnendes Klopfen einer Methanzahl zugeordnet werden kann. Die Methanzahl kann besondere exakt insbesondere auch anhand von betriebspunktabhängig ermittelten Stickoxid-Emissionen bestimmt werden.
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Durch die Inertisierung der Ladung bei gleichzeitiger Anfettung des Gemischs ist es auch möglich, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine abzusenken. Außerdem ergibt sich ein deutlich geringerer Abgasmassenstrom als bei einer reinen Abmagerung des Gemischs, weil eine Zufuhr von Inertgas über die Abgasrückführung sehr viel effizienter in Hinblick auf eine Reduzierung der Klopfneigung ist als eine Abmagerung im Wege der Erhöhung der Verbrennungsluftzufuhr. Es muss also deutlich weniger Abgas zurückgeführt werden, als zusätzliche Verbrennungsluft zugeführt werden müsste, um bei konstanter Brennstoffmasse denselben Effekt in Hinblick auf eine Reduktion der Klopfneigung zu erzielen. Hierdurch kann sich nicht zuletzt ein günstigerer Brennverlauf, bei dem geringere Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen ergeben.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Steuergerät für eine Bennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen wird. Dieses ist eingerichtet zur Erfassung von wenigstens einem Parameter, der mit einer Qualität eines der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoffs korreliert, wobei als Parameter eine Stickoxid-Emission verwendet wird. Das Steuergerät ist außerdem eingerichtet zur Einstellung einer Abgasrückführung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter. Zusätzlich ist das Steuergerät eingerichtet zum Halten der Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten Wertebereich durch Anheben einer Abgasrückführrate bei gleichzeitigem Absenken eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnisses. Bevorzugt ist das Steuergerät eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Damit verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Steuergerät die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Es ist möglich, dass das Verfahren fest in eine elektronische Struktur, insbesondere in eine Hardware, des Steuergeräts implementiert ist. Alternativ ist es möglich, dass ein Computerprogrammprodukt in das Steuergerät geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer das Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft.
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Bevorzugt ist das Steuergerät als Motorsteuergerät (Engine Control Unit - ECU) der Brennkraftmaschine ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass das Steuergerät als separates Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Diese weist wenigstens einen Brennraum auf, dem ein Brennstoff zuführbar ist. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Sensor zur Erfassung eines Parameters auf, der mit einer Qualität des zugeführten Brennstoffs korreliert, wobei als Parameter eine Stickoxid-Emission verwendet wird. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine eine einstellbare Abgasrückführ-Einrichtung auf. Die Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eingerichtet ist zur Einstellung der Abgasrückführ-Einrichtung in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter. Zusätzlich ist das Steuergerät eingerichtet zum Halten der Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten Wertebereich durch Anheben einer Abgasrückführrate bei gleichzeitigem Absenken eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnisses. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Damit verwirklich sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine ein Steuergerät nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Dies ist vorzugsweise mit dem Sensor und der Abgasrückführ-Einrichtung wirkverbunden, um die Abgasrückführ-Einrichtung in Abhängigkeit von dem mithilfe des Sensors erfassten Parameter einstellen zu können.
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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.
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Es wird insbesondere 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, die in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist als stationäre Brennkraftmaschine, insbesondere zur Stromerzeugung, ausgebildet, wobei die Brennkraftmaschine bevorzugt als stationärer Gasmotor, insbesondere als stationärer Magergasmotor ausgebildet ist. Sie ist vorzugsweise mit einem Generator wirkverbunden, der durch die Brennkraftmaschine antreibbar ist. Dabei ist die Brennkraftmaschine bevorzugt mit einer Erdgasleitung, mit einer Biogasleitung oder mit einer anderweitig gearteten Gasleitung verbunden, über welche der Brennkraftmaschine Brenngas zuführbar ist. Dabei sind schwankende Gasqualitäten, insbesondere schwankende Methanzahlen, durch die Brennkraftmaschine ohne Weiteres ausgleichbar.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Steuergeräts sowie der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine oder des Steuergeräts, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Steuergeräts oder der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine oder dem Steuergerät erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Die Brennkraftmaschine oder das Steuergerät zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches 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 oder des Steuergeräts bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die eine Mehrzahl von Brennräumen 3, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet ist, aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 ist bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei die Brennräume 3 durch Zylinder der Brennkraftmaschine 1 gebildet sind. Den Brennräumen 3 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 durch Eindüsung mittels einer Brennstoffzufuhr-Einrichtung 5 in eine Ladeluft-Leitung 7 ein Brennstoff zuführbar. Die Brennstoffzufuhr-Einrichtung 5 ist dabei bevorzugt stromaufwärts eines Verdichters 9 angeordnet. Der Verdichter 9 ist hier Teil einer vorzugsweise regelbaren Aufladung, insbesondere eines Abgasturboladers 11. Dieser weist eine in einer Abgasleitung 13 angeordnete Turbine 15 auf, durch welche der Verdichter 9 über eine Welle 17 antreibbar ist. Die Darstellung der Verdichtung und/oder Aufladung ist insoweit als schematisch zu verstehen, als nicht zwingend ein Abgasturbolader 11 vorgesehen sein muss. Auch eine Aufladung mittels eines Kompressors oder in anderer geeigneter Weise ist möglich. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 beispielsweise eine mehrstufige Aufladung und/oder eine Registeraufladung aufweist.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als stationärer Gasmotor ausgebildet, wobei die Brennstoffzufuhr-Einrichtung 5 mit einer Gasleitung verbunden ist. Insbesondere in diesem Fall werden den Brennräumen 3 schwankende Brennstoffqualitäten zugeführt, was die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 beinträchtigen kann.
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Um dieses Problem zumindest zu lindern, wenn nicht vollständig zu vermeiden, weist die Brennkraftmaschine 1 wenigstens einen Sensor 19, bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel drei Sensoren 19, zur Erfassung von wenigstens einem Parameter auf, der mit der Qualität des zugeführten Brennstoffs korreliert. Besonders bevorzugt wird dabei ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1, welches als Sensor 19 einen Stickoxidsensor 21 aufweist, der eine Stickoxid-Konzentration oder einen Stickoxid-Partialdruck im Abgas misst. Bei den hier dargstellten Ausführungsbeispielen ist der Stickoxidsensor 21 stromabwärts der Turbine 15 in der Abgasleitung 13 angeordnet. Es ist möglich und für die Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ausreichend, wenn als Sensor 19 ein Stickoxidsensor 21 vorgesehen ist. Es bedarf insoweit keiner weiteren Sensoren 19. Die Stickoxid-Konzentration im Abgas stellt einen sehr empfindlichen Parameter dar, anhand dessen sehr genau auf eine Qualität des Brennstoffs, insbesondere auf eine Methanzahl eines den Brennräumen 3 zugeführten Brenngases, geschlossen werden kann. Daher ist das hier beschriebene Verfahren auf der Grundlage einer Stickoxid-Emissionsmessung mithilfe des Stickoxidsensors 21 sehr genau und zuverlässig durchführbar.
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Zusätzlich ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 einen Klopfsensor 23 aufweist. Dieser ist bevorzugt als Körperschallsensor ausgebildet und an einem Motorblock 25 oder einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Mithilfe des Klopfsensors 23 ist es möglich, beginnendes Klopfen insbesondere betriebspunktabhängig zu detektieren und hieraus auf eine Brennstoffqualität, insbesondere auf eine Methanzahl von einem den Brennräumen 3 zugeführten Brenngas, zu schließen. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ein Klopfsensor 23 als einziger Sensor 19 verwendet wird. Auch auf diese Weise ist das Verfahren stabil und genau durchführbar.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt ein Zylinderdrucksensor 27 vorgesehen, mit dessen Hilfe ein hier schematisch dargesteller Druckverlauf 29 in wenigstens einem der Brennräume 3 erfassbar ist. Es ist auch möglich, dass einer Mehrzahl von Brennräumen 3 jeweils Zylinderdrucksensoren 27 zugeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass jedem Brennraum 3 ein separater Zylinderdrucksensor 27 zugeordnet ist. Mithilfe des Zylinderdrucksensors 27 ist es möglich, sowohl eine Klopfdetektion durchzuführen, als auch über ein Brennverlaufsmodell die Stickoxid-Emissionen desjenigen Zylinders zu bestimmen, dem der Zylinderdrucksensor 27 zugeordnet ist. Auch auf diese Weise können also Informationen über die Brennstoffqualität erhalten werden, sodass das Verfahren auch auf der Grundlage eines einzigen, als Zylinderdrucksensor 27 ausgebildeten Sensors 19 oder einer Mehrzahl von Zylinderdrucksensoren 27, welche die einzigen Sensoren 19 der Brennkraftmaschine 1 darstellen, stabil durchführbar ist.
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Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 Kombinationen der hier explizit genannten Sensoren 19 aufweist. Beispielsweise ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 einen Stickoxidsensor 21 und einen Klopfsensor 23, wenigstens einen Zylinderdrucksensor 27 und einen Klopfsensor 23, wenigstens einen Zylinderdrucksensor 27 und einen Stickoxidsensor 21, oder einen Zylinderdrucksensor 27, einen Klopfsensor 23 und einen Stickoxidsensor 21 aufweist, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur dargestellt ist. Weist die Brennkraftmaschine 1 mehr als einen Sensor 19, insbesondere mehr als eine Art von Sensor 19 auf, können komplementäre und/oder redundante Informationen erhalten werden, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens prinzipell gesteigert werden kann.
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Um schwankende Brennstoffqualitäten ausregeln zu können, weist die Brennkraftmaschine 1 eine einstellbare, insbesondere eine regelbare Abgasrückführ-Einrichtung 31 auf. Dabei ist zur Einstellung einer Abgasrückführrate ein ansteuerbares Abgasrückführregelorgan 33, vorzugsweise eine ansteuerbare Abgasrückführklappe oder Regelklappe, in einer Abgasrückführleitung 35 angeordnet, wobei die Abgasleitung 13 durch die Abgasrückführleitung 35 mit der Ladeluftleitung 7 verbunden ist. Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 weist insbesondere eine gekühlte Abgasrückführung auf, wobei in der Abgasrückführleitung 35 - hier stromabwärts des Abgasrückführregelorgans 33 - ein Abgasrückführkühler 37 angeordnet ist. Es ist möglich, dass der Abgasrückführkühler 37 zur Einstellung einer Kühlleistung ansteuerbar ist, wobei die Kühlleistung besonders bevorzugt regelbar ist. Eine Hochdruckabgasrückführung, d.h. ein Abzweig der Abgase vor Turbine(n) und somit unter höherem Druck ist ebenfalls mit diesem Verfahren möglich. Es ist möglich, diese Anordnung um einen Zwischenverdichter zu ergänzen, um unterschiedliche Spülgefälle realisieren zu können. Der Zwischenverdichter hebt das Abgas auf das erforderliche Druckniveau zum Überspülen auf die Ladeluftseite an.
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Stromabwärts des Verdichters 9 ist in der Ladeluftleitung 7 ein Ladeluftkühler 39 zur Kühlung des den Brennräumen 3 zugeführten, verdichteten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemischs angeordnet. Zur Leistungsregelung weist die Brennkraftmaschine 1 eine Drosselklappe 41 auf.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Steuergerät 43 auf, das bevorzugt als Motorsteuergerät (Engine Control Unit - ECU) der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet ist. Das Steuergerät 43 ist zur Leistungsregelung der Brennkraftmaschine 1 mit der Drosselklappe 41 wirkverbunden. Ebenso ist es wirkverbunden mit der Brennstoffzufuhr-Einrichtung 5, um die in die Ladeluftleitung 7 eingebrachte Brennstoffmenge zu steuern, vorzugsweise zu regeln.
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Um die Brennkraftmaschine 1 an schwankende Brennstoffqualitäten anpassen zu können, ist das Steuergerät 43 mit dem wenigstens einen Sensor 19, hier mit dem Zylinderdrucksensor 27, dem Klopfsensor 23 und dem Stickoxidsensor 21, wirkverbunden. Es ist dabei eingerichtet zur Bestimmung einer Brennstoffqualität, insbesondere einer Methanzahl eines den Brennräumen 3 zugeführten Brenngases, anhand des wenigstens einen Messsignals des Sensors 19, hier bevorzugt anhand einer Kombination der Signale der verschiedenen Sensoren 19, insbesondere des Zylinderdrucksensors 27, des Klopfsensors 23 und des Stickoxidsensors 21. Dabei ist das Steuergerät 43 insbesondere ausgebildet zur Auswertung des Druckverlaufs 29, wobei es vorzugsweise aus dem Druckverlauf 29 eine Stickoxid-Emission des dem Zylinderdrucksensor 27 zugeordneten Brennraums 3 ermitteln und/oder anhand des Druckverlaufs 29 eine Klopferkennung durchführen kann.
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Das Steuergerät 43 ist mit dem Abgasrückführregelorgan 33 wirkverbunden, und eingerichtet, um die Abgasrückführ-Einrichtung 31 in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffqualität, insbesondere in Abhängigkeit von der ermittelten Methanzahl des Brenngases einzustellen. Dabei ist es insbesondere eingerichtet zur Einstellung - insbesondere zur Steuerung oder Regelung - der Abgasrückführrate mittels des Abgasrückführregelorgans 33 in Abhängigkeit von der Brennstoffqualität. Alternativ oder zusätzlich ist das Steuergerät 43 vorzugsweise mit dem Abgasrückführkühler 37 zur Einstellung - insbesondere zur Steuerung oder Regelung - der Kühlleistung in Abhängigkeit von der Brennstoffqualität wirkverbunden.
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Das Steuergerät 43 ist bevorzugt zusätzlich mit einem Regelorgan der Aufladung, insbesondere des Abgasturboladers 11, wirkverbunden, wobei der Abgasturbolader 11 insoweit eingerichtet ist für eine regelbare Aufladung, beispielsweise mittels eines hier nicht dargestellten Waste Gates, das von dem Steuergerät 43 ansteuerbar ist. Mithilfe der regelbaren Aufladung ist es möglich, ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis, mithin einen λ-Wert in den Brennräumen 3 in Abhängigkeit von der Brennstoffqualität und/oder in Abhängigkeit von der Einstellung der Abgasrückführ-Einrichtung 31, insbesondere der Abgasrückführrate und/oder der Kühlleistung des Abgasrückführkühlers 37, einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln. Hierfür ist das Steuergerät 43 bevorzugt eingerichtet.
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Zu diesem Zweck ist bevorzugt ein Kennfeld 45 in das Steuergerät 43 implementiert, welches einerseits Soll-Z-Werte und andererseits Soll-Abgasrückführraten und/oder Abgasrückführ-Kühlungsleistungen in Abhängigkeit von der erfassten Brennstoffqualität, insbesondere in Abhängigkeit von der ermittelten Methanzahl, aufweist. Das Steuergerät 43 ist dann in der Lage, die genannten Größen abhängig von der ermittelten Brennstoffqualität einzustellen, vorzugsweise zu steuern oder zu regeln.
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Auf diese Weise ist das Steuergerät 43 letzlich eingerichtet, um eine variierende Brennstoffqualität ausregeln zu können.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und der Brennkraftmaschine sowie des Steuergeräts eine Ausregelung schwankender Brennstoffqualitäten, insbesondere schwankender Methanzahlen eines den Brennräumen 3 zugeführten Brenngases ausgeregelt werden können, sodass die Brennkraftmaschine 1 ohne Wirkungsgradverlust und ohne Gefahr einer Beschädigung auch bei zukünftig stärker schwankenden Brennstoffqualiäten betreibbar ist.
