-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
-
Bei Brennkraftmaschinen wird üblicherweise eine Beschädigung durch klopfende Verbrennungen mittels einer konventionellen Klopfregelung verhindert, bei welcher klopfende Verbrennungen mittels Klopfsensoren oder anhand eines Zylinderdrucksignals erkannt werden. Wird in einem Arbeitsspiel eine klopfende Verbrennung erkannt, wird eine Maßnahme eingeleitet, um eine klopfende Verbrennung in einem nächsten Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine nach Möglichkeit zu vermeiden, beispielsweise indem ein Zündzeitpunkt nach spät verschoben wird. Nachteilig dabei ist, dass eine solche Klopfregelung lediglich dann aktiv wird und reagiert, wenn bereits eine klopfende Verbrennung stattfindet. Dadurch gelangt eine derart betriebene Brennkraftmaschine immer wieder in Betriebsbereiche mit klopfenden Verbrennungen hinein, was sich negativ auf ihre Lebenszeit und auf gegebenenfalls einzuhaltende Wartungsintervalle auswirkt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem im Betrieb der Brennkraftmaschine für jedes Arbeitsspiel anhand eines Mehrzonen-Modells für wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine eine Temperatur in einer unverbrannten Zone berechnet wird, wobei abhängig von der berechneten Temperatur in der unverbrannten Zone wenigstens ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine so gewählt wird, dass eine klopfende Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum vermieden wird. Insoweit hat sich herausgestellt, dass insbesondere die Temperatur in der unverbrannten Zone des Brennraums charakteristisch ist für eine Klopfgefahr während der Verbrennung, insbesondere da diese Temperatur entscheidend ist für die Reaktionsgeschwindigkeit von Vorreaktionen, welche im Vorfeld eines Klopfereignisses lokal stattfinden und letztlich zu einer klopfenden Verbrennung führen. Ist die Temperatur in der unverbrannten Zone zu hoch, laufen diese Vorreaktionen vergleichsweise schnell ab, sodass eine klopfende Verbrennung beginnen kann, bevor die Flammfront der Hauptverbrennung in dem Brennraum den Ort erreicht hat, an welchem die Vorreaktionen stattfinden. Ist die Temperatur in der unverbrannten Zone dagegen geringer, ist es möglich, dass die Vorreaktionen so langsam ablaufen, dass die Flammfront der Hauptverbrennung den Ort der Vorreaktionen erreicht, bevor es zu einer klopfenden Verbrennung kommt. In diesem Fall erfolgt dann auch die Verbrennung am Ort der Vorreaktionen regulär, und es kommt nicht zu einer klopfenden Verbrennung. Es ist somit möglich, durch Berechnung der Temperatur in der unverbrannten Zone ein Klopfrisiko oder eine Klopfgefahr im Vorfeld einer klopfenden Verbrennung vorherzusagen, und Maßnahmen zur Vermeidung von klopfenden Verbrennungen zu treffen, bevor diese auftreten. Mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens ist es daher möglich, die Brennkraftmaschine wirkungsgradoptimiert nahe an einer Klopfgrenze, vorzugsweise so nah an der Klopfgrenze wie möglich, zu betreiben, ohne dass es tatsächlich zu klopfenden Verbrennungen kommt. Die Lebensdauer der Brennkraftmaschine kann somit verlängert werden, und es ist auch möglich, Wartungsintervalle für die Brennkraftmaschine zu verlängern. Insgesamt ergibt sich somit nicht nur ein in Hinblick auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbesserter Betrieb, was sich nicht zuletzt brennstoffsparend auswirkt, sondern auch eine Kostenreduktion mit Blick auf die Wartung der Brennkraftmaschine.
-
Mehrzonen-Modelle der hier angesprochenen Art sind für sich genommen grundsätzlich bekannt. Dabei wird der Brennraum gedanklich dynamisch aufgeteilt in wenigstens zwei Bereiche, insbesondere einen ersten Bereich, in dem eine Verbrennung stattfindet oder bereits stattgefunden hat, wobei dieser erste Bereich auch als verbrannte Zone bezeichnet wird, und einen zweiten Bereich, in dem noch keine Verbrennung stattfindet oder stattgefunden hat, der als unverbrannte Zone bezeichnet wird. Die verbrannte Zone wird von der unverbrannten Zone durch die Flammfront der sich ausbreitenden Verbrennung getrennt, wobei zu Beginn der Verbrennung fast der gesamte Brennraum die unverbrannte Zone darstellt, und wobei die verbrannte Zone zum Ende des Verbrennungstakts fast den gesamten Brennraum einnimmt. Wie bereits zuvor ausgeführt, ist im Rahmen der Erfindung erkannt worden, dass es nur in der unverbrannten Zone überhaupt zu klopfenden Verbrennungsereignissen kommen kann, wobei die dort herrschende Temperatur eine entscheidende Rolle für das Klopfrisiko spielt. Ein solches Mehrzonen-Modell, aus dem ohne weiteres eine Temperatur in der unverbrannten Zone berechnet werden kann, ist beispielsweise aus dem Werk R. Pischinger et al., „Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine", Seiten 248 ff., ISBN 978-3211-99276-0, 3. Auflage, Springer, Wien – New York, bekannt.
-
Unter der Temperatur in der unverbrannten Zone wird insbesondere die Temperatur verstanden, die in der unverbrannten Zone während der in dem Brennraum ablaufenden Verbrennung herrscht. Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt die maximale Temperatur in der unverbrannten Zone verwendet. Insoweit wird die Temperatur in der unverbrannten Zone für vorzugsweise den gesamten Verbrennungstakt – insbesondere kurbelwellenwinkelabhängig – berechnet, wobei die Temperatur in der unverbrannten Zone mit dem Kurbelwellenwinkel variiert, wobei sie insbesondere nämlich zu Beginn der Verbrennung ansteigt, ein Maximum durchläuft und schließlich wieder abfällt. Für das hier vorgeschlagene Verfahren wird bevorzugt das Maximum der Temperatur in der unverbrannten Zone ermittelt und als berechnete Temperatur in der unverbrannten Zone verwendet.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die berechnete Temperatur in der unverbrannten Zone mit einem vorbestimmten Soll-Temperaturwert für die – insbesondere maximale – Temperatur in der unverbrannten Zone verglichen wird. Dabei wird insbesondere der wenigstens eine Betriebsparameter konstant gehalten oder in Richtung einer höheren Temperatur in der unverbrannten Zone verändert, wenn die berechnete Temperatur kleiner ist als der Soll-Temperaturwert. Dies bedeutet nämlich, dass die Brennkraftmaschine grundsätzlich näher an der Klopfgrenze betrieben werden kann, weil die berechnete Temperatur anzeigt, dass kein Klopfrisiko besteht. Dass der wenigstens eine Betriebsparameter in Richtung einer höheren Temperatur in der unverbrannten Zone verändert wird, bedeutet insbesondere, dass dieser derart verändert wird, dass die Temperatur in der unverbrannten Zone aufgrund der Veränderung des wenigstens einen Betriebsparameters – insbesondere in einem nächsten Arbeitsspiel – steigt. Die Brennkraftmaschine wird also durch die Veränderung des wenigstens einen Betriebsparameters näher an die Klopfgrenze gebracht. Auf diese Weise kann insbesondere der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden.
-
Umgekehrt wird der wenigstens eine Parameter in Richtung einer niedrigeren Temperatur in der unverbrannten Zone verändert, wenn die berechnete Temperatur größer oder gleich dem Soll-Temperaturwert ist. In diesem Fall besteht nämlich das Risiko einer klopfenden Verbrennung, sodass die Temperatur in der unverbrannten Zone abgesenkt werden soll, um dieses Risiko zu mindern. Dass der wenigstens eine Betriebsparameter in Richtung einer niedrigeren Temperatur in der unverbrannten Zone verändert wird, bedeutet dabei insbesondere, dass dieser derart verändert wird, dass die Temperatur in der unverbrannten Zone – insbesondere in einem nächsten Arbeitsspiel – geringer ist, insbesondere geringer als in dem vorausgegangenen Arbeitsspiel bei dem Wert des wenigstens einen Betriebsparameters vor der Änderung. Auf diese Weise können klopfende Verbrennungen wirksam vermieden werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorbestimmte Soll-Temperaturwert so gewählt wird, dass gerade noch keine klopfende Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum auftritt, wenn die berechnete Temperatur in der unverbrannten Zone gleich dem Soll-Temperaturwert ist. Klopfende Verbrennungen treten vielmehr bevorzugt erst bei einer Temperatur oberhalb des Soll-Temperaturwerts auf. Es besteht somit bei dem Soll-Temperaturwert zwar ein erhöhtes Klopfrisiko, es tritt aber noch nicht notwendig eine klopfende Verbrennung auf. Die Temperatur in der unverbrannten Zone kann somit um den Soll-Temperaturwert in gewissem Maß schwanken, ohne dass es zu einer klopfenden Verbrennung kommt. Dabei wird der Soll-Temperaturwert bevorzugt nahe an einer Klopfgrenze für den Betrieb der Brennkraftmaschine gewählt, sodass diese – insbesondere mithilfe der zuvor erläuterten Veränderungen des wenigstens einen Betriebsparameters – möglichst nah an der Kopfgrenze betrieben werden kann, ohne dass dabei jedoch tatsächlich klopfende Verbrennungen auftreten.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die berechnete Temperatur in der unverbrannten Zone auf den vorbestimmten Soll-Temperaturwert geregelt wird. Dabei wird der wenigstens eine Betriebsparameter als Stellgröße verwendet. Insbesondere dies hat zur Folge, dass die Brennkraftmaschine dauerhaft nah an der Klopfgrenze betrieben werden kann, wobei jedoch zugleich klopfende Verbrennungen wirksam vermieden werden.
-
Da im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens klopfende Verbrennungen – vorzugsweise vollständig – vermieden werden, kann auf eine konventionelle Klopfregelung grundsätzlich verzichtet werden. Gleichwohl ist es möglich, eine konventionelle Klopfregelung zusätzlich – insbesondere aus Sicherheits- und Redundanzgründen – vorzusehen und parallel zu dem hier vorgeschlagenen Verfahren durchzuführen. Dabei kann das hier vorgeschlagene Verfahren insbesondere der konventionellen Klopfregelung überlagert sein. Tritt tatsächlich ein Klopfereignis auf, kann die konventionelle Klopfregelung die Brennkraftmaschine kurzfristig aus dem Betriebsbereich herausbringen, in welchem die klopfende Verbrennung aufgetreten ist. Anschließend wird durch das hier vorgeschlagene Verfahren bevorzugt verhindert, dass erneut eine klopfende Verbrennung auftritt.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorbestimmte Soll-Temperaturwert betriebspunktabhängig gewählt wird, wobei er insbesondere aus einem Kennfeld ausgelesen werden kann. Dabei zeigt sich, dass abhängig von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine verschiedene Klopfgrenzen für die Temperatur in der unverbrannten Zone existieren. Die Klopfgrenze selbst variiert also mit dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass betriebspunktabhängige Werte für den vorbestimmten Soll-Temperaturwert in einer Initialisierungsphase des Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Insoweit ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine bei ihrer Inbetriebnahme während einer Initialisierungsphase bevorzugt in einzelnen Betriebspunkten gezielt zum Klopfen gebracht wird, wobei – insbesondere mittels einer konventionellen Klopfregelung – die Klopfgrenze erkannt und jeweils ein entsprechender Soll-Temperaturwert für die entsprechenden Betriebspunkte gelernt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Klopfgrenze allerdings auch von Randbedingungen wie der Qualität eines verwendeten Brennstoffs, insbesondere einer Brenngasqualität, einer Ladelufttemperatur, und weiteren, nicht unmittelbar dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zuordenbaren Randbedingungen abhängt. Dies wird vorzugsweise ebenfalls bei der Bedatung des Kennfelds für den Soll-Temperaturwert berücksichtigt.
-
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der wenigstens eine Brennraum zeitweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine – im Normalbetrieb außerhalb der Initialisierungsphase – gezielt mit klopfender Verbrennung betrieben wird, wobei der Soll-Temperaturwert insbesondere betriebspunktabhängig im Betrieb der Brennkraftmaschine gelernt wird, insbesondere indem die Klopfgrenze beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit klopfender Verbrennung anhand einer konventionellen Klopfregelung ermittelt wird. Der wenigstens eine Brennraum kann insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen oder bedarfsgerecht – beispielsweise wenn es aufgrund vermehrt auftretender klopfender Verbrennungsereignisse einer Rekalibrierung des Verfahrens bedarf – gezielt mit klopfender Verbrennung betrieben werden, um den vorbestimmten Soll-Temperaturwert oder das Kennfeld mit den vorbestimmten Soll-Temperaturwerten neu zu bedaten. Diese Vorgehensweise ermöglicht insbesondere eine Adaption des Betriebs der Brennkraftmaschine im laufenden Betrieb, insbesondere eine Altersadaption, wobei das Risiko klopfender Verbrennungen beispielsweise aufgrund von Ablagerungen im Brennraum steigen kann, eine Adaption auf eine variable Qualität des verwendeten Brennstoffs, insbesondere auf eine variable Brenngasqualität, sowie eine Adaption auf gegebenenfalls wechselnde Umgebungs-Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine, die insbesondere Einfluss auf die Ladelufttemperatur und damit auch auf das Klopfrisiko haben können.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren für jeden Brennraum der Brennkraftmaschine separat durchgeführt wird. Es wird also bevorzugt im Betrieb der Brennkraftmaschine für jeden Brennraum einer Mehrzahl von Brennräumen für jedes Arbeitsspiel des jeweiligen Brennraums anhand eines Mehrzonen-Modells die Temperatur in der unverbrannten Zone berechnet, wobei abhängig von der berechneten Temperatur der wenigstens eine Betriebsparameter der Brennkraftmaschine für den jeweils zugeordneten Brennraum so gewählt wird, dass eine klopfende Verbrennung in dem jeweiligen Brennraum vermieden wird. Auf diese Weise kann eine zylinderindividuelle Vorhersage des Risikos einer klopfenden Verbrennung erfolgen, sodass jeder Zylinder oder Brennraum der Brennkraftmaschine nach Möglichkeit in seinem jeweiligen Wirkungsgradoptimum betrieben werden kann.
-
Das Verfahren wird bevorzugt in Echtzeit durchgeführt, wobei die entsprechenden Berechnungen und Veränderungsschritte für den wenigstens einen Betriebsparameter während jedes Arbeitsspiels in Echtzeit erfolgen. So ist ein sehr genauer und zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine im Wirkungsgradoptimum unter Vermeidung klopfender Verbrennungen möglich.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als der wenigstens eine Betriebsparameter wenigstens ein Parameter verwendet wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, einem Schließzeitpunkt eines Gaswechselventils, insbesondere eines Einlassventils, einem Zündzeitpunkt, einer Ladelufttemperatur und einer Brenngastemperatur.
-
Alle diese Parameter haben letztlich Einfluss auf die Gefahr einer klopfenden Verbrennung. Mit Blick auf einen Schließzeitpunkt eines Gaswechselventils, insbesondere eines Einlassventils, können insbesondere Miller-Steuerzeiten realisiert und einerseits zur Vermeidung klopfender Verbrennungen und andererseits zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine angepasst werden. Die Ladelufttemperatur kann insbesondere eingestellt werden, wenn die Brennkraftmaschine einen Ladeluftkühler aufweist. Es ist dann insbesondere auch möglich, als Betriebsparameter eine Kühlleistung des Ladeluftkühlers zu variieren. Entsprechend kann die Brenngastemperatur variiert werden, wenn die Brennkraftmaschine einen Brenngaskühler aufweist, wobei in diesem Fall insbesondere dessen Kühlleistung variiert werden kann. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet oder für einen Betrieb mit einem unter Normalbedingungen, das heißt bei 25 °C und 1013 mbar gasförmigen Brennstoff eingerichtet ist.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Mehrzonen-Modell zur Berechnung der berechneten Temperatur in der unverbrannten Zone wenigstens eine Eingangsgröße zugeführt wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem – vorzugsweise kurbelwellenwinkelabhängig erfassten – Brennraumdruck, einer dem Brennraum zugeführten Ladungsmasse, dem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, einem – vorzugsweise kurbelwellenwinkelabhängig erfassten oder berücksichtigen – Hubvolumen des Brennraums, und der Ladelufttemperatur. Selbstverständlich ist es möglich, andere oder weitere Parameter als Eingangsgrößen für das Mehrzonen-Modell heranzuziehen.
-
Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine brennraumdruckgeführte Regelung der Temperatur in der unverbrannten Zone durchgeführt, wobei insbesondere der Brennraumdruck als Führungsgröße verwendet wird und als wesentliche Eingangsgröße in das Mehrzonen-Modell eingeht. Dabei wird der Brennraumdruck bevorzugt kurbelwellenwinkelabhängig mittels eines Brennraumdrucksensors erfasst.
-
Wird der Brennraumdrucksensor zusätzlich zur Erkennung klopfender Verbrennungen im Rahmen einer konventionellen Klopfregelung verwendet, kann auf die Verwendung herkömmlicher Klopfsensoren, insbesondere von Körperschallsensoren, vollständig verzichtet werden, was weitere Kostenvorteile und Vereinfachungen im Betrieb der Brennkraftmaschine mit sich bringt.
-
Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine mit variablem Hubvolumen betrieben wird, sodass insbesondere auch ein Kompressionsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine variierbar ist. In diesem Fall kann auch das Hubvolumen oder das Kompressionsverhältnis als Betriebsparameter und damit als Stellgröße für das Verfahren herangezogen werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Mehrzonen-Modell ein Zwei-Zonen-Modell verwendet wird. Das Brennraumvolumen wird also gedanklich in bereits beschriebener Art in zwei Zonen aufgeteilt, nämlich die unverbrannte Zone und die verbrannte Zone. Bevorzugt wird ein Zwei-Zonen-Modell verwendet, wenn die Brennkraftmaschine mit einem homogenen Brennverfahren betrieben wird.
-
Es ist auch möglich, dass als Mehrzonen-Modell ein Drei-Zonen-Modell verwendet wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine mit einer inhomogenen Verbrennung betrieben wird. Die Vorgänge in dem Brennraum können dann besser beschrieben werden, wenn drei verschiedene Zonen berücksichtigt werden.
-
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, dem wenigstens ein Sensor zur zeitabhängigen Erfassung wenigstens einer Eingangsgröße für ein Mehrzonen-Modell der Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum zugeordnet ist. Die Brennkraftmaschine weist außerdem ein Steuergerät auf, das mit dem wenigstens einen Sensor wirkverbunden und eingerichtet ist, um anhand der wenigstens einen Eingangsgröße mittels eines Mehrzonen-Modells in Echtzeit für den wenigstens einen Brennraum eine berechnete Temperatur in einer unverbrannten Zone zu berechnen, und um wenigstens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der berechneten Temperatur in der unverbrannten Zone so zu wählen, dass eine klopfende Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum vermieden wird. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurde.
-
Dass der Sensor eingerichtet ist zur zeitabhängigen Erfassung der wenigstens einen Eingangsgröße bedeutet insbesondere, dass er eingerichtet ist zur kurbelwellenwinkelabhängigen Erfassung der wenigstens einen Eingangsgröße. Eine zeitabhängige Erfassung und eine kurbelwellenwinkelabhängige Erfassung werden dabei als äquivalent zueinander angesehen, insbesondere weil sie über die Drehzahl der Brennkraftmaschine ineinander umrechenbar sind.
-
Der Sensor ist bevorzugt eingerichtet, um den Brennraumdruck in dem wenigstens einen Brennraum als Eingangsgröße zu erfassen. Insofern ist der Sensor bevorzugt als Brennraumdrucksensor ausgebildet. Es kann so in der bereits beschriebenen Weise eine brennraumdruckgeführte Regelung der Temperatur in der unverbrannten Zone erfolgen.
-
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. 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.
-
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind 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. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
-
2 eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
-
3 eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens, und
-
4 verschiedene diagrammatische Darstellungen zur weiteren Erläuterung des Verfahrens.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die wenigstens einen Brennraum 3 aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 ist hier als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei der Brennraum 3 als Zylinder ausgebildet ist, in dem ein Kolben 5 verlagerbar angeordnet ist. Dem Brennraum 3 ist wenigstens ein Einlassventil 7 zugeordnet, sowie ein Ladepfad 9, wobei dem Brennraum 3 durch den Ladepfad 9 über das Einlassventil 7 Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar ist. Weiter ist dem Brennraum 3 wenigstens ein Auslassventil 11 zugeordnet, sowie ein Abgaspfad 13, sodass Abgas aus dem Brennraum 3 durch den Abgaspfad 13 und über das Auslassventil 11 abführbar ist. Dem Brennraum 3 ist ein Sensor 15 zugeordnet, der eingerichtet ist zur zeitabhängigen – insbesondere zur kurbelwellenwinkelabhängigen – Erfassung wenigstens einer Eingangsgröße für ein Mehrzonen-Modell der Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum 3. Dabei ist der Sensor 15 hier insbesondere als Brennraumdrucksensor ausgebildet.
-
Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem ein Steuergerät 17 auf, das mit dem wenigstens einen Sensor 15 wirkverbunden und eingerichtet ist, um anhand der wenigstens einen Eingangsgröße mittels des Mehrzonen-Modells in Echtzeit für den wenigstens einen Brennraum 3 eine berechnete Temperatur in einer unverbrannten Zone zu berechnen, und um wenigstens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der berechneten Temperatur in der unverbrannten Zone so zu wählen, dass eine klopfende Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum 3 vermieden wird.
-
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 17 insbesondere mit einer Zündeinrichtung 19 zur Einstellung eines Zündzeitpunkts als dem wenigstens einen Betriebsparameter wirkverbunden. Dabei ist es möglich, dass die Zündeinrichtung 19 beispielsweise als elektrische Funkenzündkerze, Koronazündkerze, Laserzündkerze oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet ist. Der Zündzeitpunkt kann auch durch Injektion eines Brenn- oder Zündstoffs in den Brennraum 3 definiert werden. In diesem Fall ist das Steuergerät 17 zur Definition des Zündzeitpunkts bevorzugt mit einer hierzu geeigneten Injektionseinrichtung wirkverbunden.
-
2 zeigt eine erste schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1. Dabei wird in einem ersten Schritt S1 mittels eines Mehrzonen-Modells, insbesondere eines Zwei-Zonen-Modells die Temperatur in der unverbrannten Zone berechnet, wobei insbesondere ein Maximum der Temperatur in der unverbrannten Zone herangezogen wird. Als Eingangsparameter erhält das Mehrzonen-Modell vorzugsweise den kurbelwellenwinkelabhängig erfassten Brennraumdruck, eine Ladungsmasse, die dem Brennraum 3 zugeführt wird, ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis in dem Brennraum 3, ein – vorzugsweise kurbelwellenwinkelabhängig erfasstes – Hubvolumen des Brennraums 3, und/oder eine Ladelufttemperatur.
-
In einem zweiten Schritt S2 wird die berechnete Temperatur in der unverbrannten Zone mit einem Soll-Temperaturwert verglichen. Ist die Temperatur in der unverbrannten Zone kleiner als der Soll-Temperaturwert, wird in einem dritten Schritt S3 festgestellt, dass keine Klopfgefahr besteht.
-
In einem vierten Schritt S4 wird entweder – insbesondere je nach Abstand der berechneten Temperatur von dem Soll-Temperaturwert – nichts verändert, oder vorzugsweise wenigstens eine Maßnahme ausgewählt, die in diesem Fall getroffen werden kann, wobei die wenigstens eine Maßnahme insbesondere ausgewählt sein kann aus einer Anfettung, das heißt einer Reduktion des Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnisses oder Lambdawerts, einer Frühverstellung eines Zündzeitpunkts, das heißt dessen Verstellung zu kleineren Kurbelwellenwinkeln oder einem größeren Abstand zu einem den oberen Totpunkt des Kolbens 5 in dem Brennraum 3 angebenden Kurbelwellenwinkel, einem Verlagern eines Schließzeitpunkts des Einlassventils 7 nach spät, das heißt näher an den oberen Totpunkt heran, oder einer Anhebung der Ladeluft- und/oder Brenngastemperatur.
-
In einem fünften Schritt S5 wird die entsprechende Maßnahme durchgeführt, wobei in dem eben beschriebenen Fall der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 näher an eine Klopfgrenze herangebracht wird, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 gesteigert wird.
-
Im Ergebnis ändert sich wenigstens eine Messgröße an der Brennkraftmaschine 1, insbesondere die wenigstens eine Eingangsgröße für das Mehrzonen-Modell, wobei entsprechend in einem nachfolgenden Arbeitsspiel der erste Schritt S1 auf der Grundlage des neuen Werts des wenigstens einen Betriebsparameters durchgeführt wird. Diese Vorgehensweise erfolgt zyklisch von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel, insbesondere in jedem Arbeitsspiel in Echtzeit.
-
Wird in dem zweiten Schritt S2 festgestellt, dass die berechnete Temperatur in der unverbrannten Zone nicht kleiner ist als der Soll-Temperaturwert, wird in einem sechsten Schritt S6 festgestellt, dass – insbesondere akute – Klopfgefahr besteht. In diesem Fall wird in einem siebten Schritt S7 wenigstens eine Maßnahme ausgewählt, die geeignet ist, um eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Die wenigstens eine Maßnahme kann dabei ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus einer Abmagerung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs, insbesondere einer Erhöhung des Lambdawerts, einer Verstellung eines Zündzeitpunkts nach spät, das heißt zu größeren Kurbelwellenwinkeln oder näher an den oberen Totpunkt heran, einer Verschiebung des Schließzeitpunkts des Einlassventils 7 nach früh, das heißt in Richtung kleinerer Kurbelwellenwinkel beziehungsweise in Richtung eines größeren Abstands von dem oberen Totpunkt, um eine Ladungskühlung aufgrund der dann entsprechend gewählten Miller-Zeitpunkte zu erhöhen, und/oder eine Absenkung der Ladeluft- und/oder Brenngastemperatur.
-
Auch diese Maßnahme wird dann bevorzugt in dem fünften Schritt S5 wiederum durchgeführt.
-
Das Verfahren wird entsprechend zyklisch fortgesetzt.
-
3 zeigt die Ausgestaltung des Verfahrens als Regelung mit einem Regler 21, in den eine Regelabweichung 23 eingeht, die in einem Vergleichsglied 25 aus dem Soll-Temperaturwert TS und der berechneten Temperatur Tb in der unverbrannten Zone berechnet wird. Der Regler 21 gibt als Stellgröße 27 den wenigstens einen Betriebsparameter aus, der die Brennkraftmaschine 1 als Regelstrecke 29 ansteuert. Dabei können beispielsweise Umgebungsbedingungen wie die Umgebungstemperatur als Störgröße 31 berücksichtigt werden. In die Brennkraftmaschine 1 und damit die Regelstrecke 29 integriert ist das Steuergerät 17 und damit auch das hier schematisch dargestellte Mehrzonen-Modell 33, welches die berechnete Temperatur Tb in der unverbrannten Zone als Regelgröße 35 ausgibt.
-
Mithilfe des hier dargestellten Regelungsschemas ist der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 stets nah an der Klopfgrenze möglich, ohne dass es tatsächlich zu klopfenden Ereignissen kommt.
-
4 zeigt weitere Diagramme zum besseren Verständnis des Verfahrens. Dabei ist bei a) schematisch der Brennraum 3 während einer Verbrennung dargestellt, wobei das Volumen des Brennraums 3 unterteilt ist in eine verbrannte Zone 37 und eine unverbrannte Zone 39, die durch eine Flammfront 41 voneinander getrennt sind.
-
Bei b) ist ein Temperaturverlauf in Kelvin abhängig von dem Kurbelwellenwinkel in dem Brennraum 3 dargestellt. Dabei befindet sich der obere Totpunkt des Kolbens zwischen einem Verdichtungstakt und einem Arbeitstakt bei 180° Kurbelwellenwinkel. Als gestrichelte Kurve ist eine mittlere Brennraumtemperatur dargestellt, die beispielsweise durch Berechnung mittels eines Einzonen-Modells erhalten werden kann. Als strichpunktierte Kurve ist ein Temperaturverlauf in der verbrannten Zone 37 dargestellt, und als durchgezogene Kurve ist schließlich ein Temperaturverlauf in der unverbrannten Zone 39 dargestellt. Dabei können sowohl der Temperaturverlauf in der verbrannten Zone 37 als auch der Temperaturverlauf in der unverbrannten Zone 39 mittels eines Mehrzonen-Modells, insbesondere mittels eines Zwei-Zonen-Modells berechnet werden. Die Temperatur in der verbrannten Zone 37 nähert sich dabei zu großen Kurbelwellenwinkeln der mittleren Brennraumtemperatur an, weil gegen Ende der Verbrennung die verbrannte Zone 37 quasi das gesamte Volumen des Brennraums 3 füllt.
-
Für das hier vorgeschlagene Verfahren wird als berechnete Temperatur Tb in der unverbrannten Zone 39 insbesondere das Maximum des durchgezogen dargestellten Temperaturverlaufs in der unverbrannten Zone 39 herangezogen.
-
Das Diagramm bei c) zeigt das Potential des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Dabei ist hier die maximale Temperatur in der unverbrannten Zone in Kelvin aufgetragen gegen den Zündzeitpunkt, der in Grad Kurbelwellenwinkel (°KW) als Abstand zu dem oberen Totpunkt, also insbesondere als positiv genommene Differenz zu 180 °KW, abgetragen ist. Größere Werte auf der Kurbelwellenwinkelskala bedeuten dabei frühere Zündzeitpunkte, also einen größeren Abstand zu dem oberen Totpunkt. Dabei zeigt sich zunächst allgemein, dass die maximale Temperatur in der unverbrannten Zone 39 grundsätzlich zunimmt, je früher der Zündzeitpunkt gewählt wird. Dabei ist als obere Kurve – mit Rauten als diskreten Werten – eingezeichnet, wie sich die Temperatur in der unverbrannten Zone 39 bei konventionellem Ventiltrieb, das heißt ohne Miller-Steuerzeit, verhält. In dem Diagramm ist ebenfalls eine Klopfgrenze 43 eingezeichnet, wobei deutlich wird, dass diese bei sehr frühen Zündzeitpunkten überschritten wird, sodass es zu klopfenden Verbrennungsereignissen kommen kann.
-
Als eine untere Kurve – mit Sternchen als diskreten Werten – ist das Verhalten der Temperatur in der unverbrannten Zone 39 gegenüber dem Zündzeitpunkt abgetragen für den Fall, dass – ohne Veränderung des Kompressionsverhältnisses – Miller-Steuerzeiten realisiert werden, um die Ladung in dem Brennraum 3 zu kühlen. Es zeigt sich, dass der Abstand von der Klopfgrenze deutlich erhöht werden kann. Allerdings wird dabei Potential mit Blick auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 verschenkt.
-
Die mittlere Kurve – mit Dreiecken als diskreten Werten – zeigt das Verhalten der Temperatur in der unverbrannten Zone 39 in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunkt bei denselben Miller-Steuerzeiten, die auch für die untere Kurve verwendet wurden, jedoch mit erhöhtem Kompressionsverhältnis. Durch das Anheben des Kompressionsverhältnisses kann die Verbrennung in dem Brennraum 3 wieder näher an die Klopfgrenze gebracht werden, ohne dass es jedoch zu klopfenden Ereignissen kommt. Somit kann die Brennkraftmaschine 1 mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden.
-
Insgesamt zeigt sich, dass es im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens sowie mit der hier vorgeschlagenen Brennkraftmaschine 1 möglich ist, die Brennkraftmaschine 1 wirkungsgradoptimal stets nahe an der Klopfgrenze zu fahren, ohne dass es tatsächlich zu einer klopfenden Verbrennung kommt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- R. Pischinger et al., „Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine“, Seiten 248 ff., ISBN 978-3211-99276-0, 3. Auflage, Springer, Wien – New York [0006]
