DE102018123149B4 - Verfahren und Steuerungseinrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylindern (11), einem Abgasturbolader (13) und einem Abgasreinigungssystem (16), wobei Abgas, welches die Zylinder (11) der Brennkraftmaschine (10) über Gaswechselventile derselben verlässt, über eine Turbine (14) des Abgasturboladers (13) führbar ist, um einen Verdichter (15) des Abgasturboladers (13), welcher den Zylindern (11) zuzuführende Ladeluft verdichtet, anzutreiben, und wobei die Turbine (14) des Abgasturboladers (16) verlassendes Abgas über einen Katalysator (17, 18) und/oder einen Partikelfilter (19) des Abgasreinigungssystems (16) führbar ist. Zur Erhöhung der Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems (16) und/oder stromaufwärts eines Wärmerückgewinnungssystems wird die Abgastemperatur dadurch angehoben, dass die den Zylindern (11) zugefügte Ladeluftmenge reduziert wird. Es wird eine sich infolge der Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder (11) ausbildende Temperatur ermittelt. Dann, wenn die ermittelte Temperatur an den Gaswechselventilen größer als ein Grenzwert wird, wird eine Kraftstofffeinspritzung in die Zylinder (11) angepasst, um die Temperatur an den Gaswechselventilen zu begrenzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Aus der Praxis bekannte Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Schiffsdieselbrennkraftmaschinen, verfügen über mehrere Zylinder, in welchen ein Kraftstoff verbrannt wird. Dabei wird in Schiffsdieselbrennkraftmaschinen als Kraftstoff typischerweise Schweröl verbrannt.
  • Bekannte Schiffsdieselbrennkraftmaschinen verfügen weiterhin über einen Abgasturbolader. Abgas, welches Zylinder der Brennkraftmaschine verlässt, wird in einer Turbine des Abgasturboladers entspannt, um Energie hierbei zum Antreiben eines Verdichters des Abgasturboladers zu gewinnen, welcher den Zylindern zuzuführende Ladeluft verdichtet. Bei aus der Praxis bekannten Brennkraftmaschinen ist stromabwärts des Abgasturboladers, nämlich stromabwärts der Turbine desselben, ein Abgasreinigungssystem und gegebenenfalls ein Wärmerückgewinnungssystem angeordnet.
  • Aus der Praxis ist bekannt, dass ein Abgasreinigungssystem einer schwerölverbrennenden Schiffsdieselbrennkraftmaschine zum Beispiel einen SCR-Katalysator umfasst, um das Abgas einer Entstickung zu unterziehen. Hierzu wird typischerweise stromaufwärts des SCR-Katalysators in das Abgas Harnstoff oder eine Harnstoffvorläufersubstanz eingebracht, um die Entstickung im SCR-Katalysator zu unterstützen. Weiterhin ist aus der Praxis bekannt, dass ein Abgasreinigungssystem einer schwerölverbrennenden Schiffsdieselbrennkraftmaschine einen Oxidationskatalysator sowie einen Partikelfilter umfassen kann.
  • Um die Effektivität der Abgasreinigung im Abgasreinigungssystem der Brennkraftmaschine über einen langen Zeitraum zu gewährleisten, ist es wünschenswert, das Abgasreinigungssystem, nämlich den oder jeden Katalysator sowie Partikelfilter des Abgasreinigungssystems, einer Regeneration zu unterziehen. Zur Regeneration der Komponenten einer Abgasreinigungssystems ist es erforderlich, die Abgastemperatur anzuheben. Soll im Bereich eines gegebenenfalls vorhandenen Wärmerückgewinnungssystems mehr Energie gewonnen werden, so ist es ebenfalls erforderlich, die Abgastemperatur anzuheben.
  • Bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen besteht das Problem, dass es infolge der Erhöhung der Abgastemperatur an Gaswechselventilen der Zylinder der Brennkraftmaschine zu einer Heißgaskorrosion kommen kann. So hat sich gezeigt, dass dann, wenn die Temperatur der Gaswechselventile, insbesondere der Auslassventile, der Zylinder einer mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschine einen Grenzwert überschreitet, Natrium-Vandium-Verbindungen auf die Gaswechselventile aufgeschmolzen werden können, wodurch letztendlich die Gaswechselventile geschädigt werden. Dies ist von Nachteil.
  • Die DE 60 2004 003 034 T2 beschreibt bereits ein Verfahren zur Reinigung des Abgases eines turboaufgeladenen Dieselmotors, wobei zur Erhöhung der Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems und/oder stromaufwärts eines Wärmerückgewinnungssystems die Abgastemperatur dadurch angehoben wird, dass die den Zylindern zugefügte Ladeluftmenge reduziert wird.
  • Die DE 603 03 250 T2 , in der eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasreinigung für einen Verbrennungsmotor beschrieben werden, offenbart das voran Gesagte in ähnlicher Weise.
  • Weiterhin ist aus der DE 10 2015 201 983 A1 ein Verfahren und ein System für den verbesserten Temperaturschutz von Komponenten einer Brennkraftmaschine im Rahmen einer Klopfsteuerung offenbart, wobei eine sich infolge der Anhebung der Abgastemperatur ausbildende Temperatur ermittelt wird, um die Temperatur an den Komponenten zu begrenzen
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Zur Erhöhung der Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems und/oder stromaufwärts eines Wärmerückgewinnungssystems wird die Abgastemperatur dadurch angehoben, dass die den Zylindern zugefügte Ladeluftmenge reduziert wird. Es wird eine sich infolge der Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder ausbildende Temperatur ermittelt. Dann, wenn die ermittelte Temperatur an den Gaswechselventilen größer als ein Grenzwert wird, wird eine Kraftstofffeinspritzung in die Zylinder angepasst, um die Temperatur an den Gaswechselventilen zu begrenzen.
  • Mit der Erfindung kann sichergestellt werden, dass trotz Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder ein definierter Temperaturgrenzwert nicht überschritten wird. Hierdurch kann insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen die Beschädigung der Gaswechselventile insbesondere durch Aufschmelzen von Natrium-Vanadium-Verbindungen zuverlässig verhindert werden. Obwohl die Erfindung besonders vorteilhaft bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen kann, ist es auch möglich, mit anderen Kraftstoffen betriebene Brennkraftmaschinen auf die hier vorgeschlagene Art und Weise zu betreiben.
  • Vorzugsweise wird die den Zylindern der Brennkraftmaschine zugefügte Ladeluftmenge dadurch reduziert, dass Abgas an der Turbine des Abgasturboladers vorbeiführt und/oder Ladeluft abgeblasen und/oder eine Geometrie der Turbine des Abgasturboladers angepasst wird. Hiermit kann die Abgastemperatur über den Ladeluftpfad durch Reduzierung der den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluftmenge besonders vorteilhaft angehoben werden.
  • Vorzugsweise wird die Kraftstofffeinspritzung in die Zylinder dadurch angepasst, dass ein Zeitpunkt und/oder eine Zeitdauer und/oder ein Druck und/oder eine Häufigkeit der Kraftstofffeinspritzung angepasst wird. Hierdurch kann trotz Anhebung der Abgastemperatur sichergestellt werden, dass an den Gaswechselventilen der Temperaturgrenzwert nicht überschritten wird.
  • Vorzugsweise wird die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur abhängig von der Abgastemperatur kennfeldanhängig ermittelt. Hiermit kann die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur abhängig von einer vorzugsweise gemessenen Abgastemperatur einfach und zuverlässig ermittelt werden.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt ein stark Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über mehrere Zylinder 11, in denen ein Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff 11 kann insbesondere über Kraftstoffinjektoren 12 in den jeweiligen Zylinder 11 eingebracht werden. So zeigt 1, dass jedem Zylinder 11 ein Kraftstoffinjektor 12 zugeordnet ist, über den der Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder 11 eingebracht werden kann. Der Kraftstoff wird in den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 unter Anwesenheit von Ladeluft verbrannt, wobei bei der Verbrennung entstehendes Abgas von den Zylindern 11 abgeführt wird.
  • Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über einen Abgasturbolader 13. Abgas, welches die Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10 verlässt, wird einer Turbine 14 des Abgasturboladers 13 zugeführt und in der Turbine 14 entspannt. Bei der Entspannung des Abgases in der Turbine 14 des Abgasturboladers 13 gewonnene Energie wird zum Antreiben eines Verdichters 15 des Abgasturboladers 13 genutzt, um im Verdichter 15 Ladeluft, die den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird, zu verdichten.
  • 1 zeigt weiterhin ein Abgasreinigungssystem 16 der Brennkraftmaschine 10. Das Abgasreinigungssystem 16 ist dem Abgasturbolader 13, nämlich der Turbine 14 desselben nachgeschaltet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Abgasreinigungssystem 16 einen SCR-Katalysator 17, einen dem SCR-Katalysator 17 nachgeordneten Oxidationskatalysator 18 sowie einem dem Oxidationskatalysator 18 nachgeordneten Partikelfilter 19.
  • Ferner zeigt 1 ein Bypassventil 20, über welches Abgas an der Turbine 14 des Abgasturboladers 13 vorbeigeführt und unter Umgehung der Turbine 14 unmittelbar dem Abgasreinigungssystem 16 zugeführt werden kann. Ferner ist in 1 ein Ablassventil 21 gezeigt, über welches im Verdichter 15 des Abgasturboladers 13 verdichtete Ladeluft abgeblasen werden kann. Im Abgastrakt kann ein nicht gezeigtes Wärmerückgewinnungssystem vorhanden sein.
  • Ferner zeigt 1 eine Steuerungseinrichtung 22, mithilfe derer der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 gesteuert und/oder geregelt werden kann. So kann über die Steuerungseinrichtung 22 jeder der Kraftstoff-Injektoren 12 angesteuert werden, um eine Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10 zu beeinflussen. Ferner können über die Steuerungseinrichtung 22 das Bypassventil 20 und das Ablassventil 21 angesteuert werden.
  • Sollen Baugruppen des Abgasreinigungssystems 16, also im gezeigten Ausführungsbeispiel die Katalysatoren 17 und 18 sowie der Partikelfilter 19, einer Regeneration unterzogen werden, so muss die Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems 16 angehoben werden. Sol im Bereich eines gegebenenfalls vorhanden Wärmerückgewinnungssystem mehr Energie gewonnen werden, so muss die Abgastemperatur ebenfalls angehoben werden.
  • Zur Anhebung der Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems 16 wird die den Zylindern 11 zugeführte Ladeluftmenge reduziert.
  • Die den Zylindern 11 zugeführte Ladeluftmenge kann zum Beispiel dadurch reduziert werden, dass Abgas über das Bypassventil 20 an der Turbine 14 des Abgasturboladers 13 vorbeigeführt wird. In diesem Fall wird dann in der Turbine 14 weniger Energie gewonnen, sodass im Verdichter 15 weniger Ladeluft verdichtet wird.
  • Zusätzlich kann zur Reduzierung der den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Ladeluftmenge über das Abblasventil 21 verdichtete Ladeluft abgeblasen werden.
  • Dann, wenn die Turbine 14 des Abgasturboladers 13 eine variable Turbinengeometrie aufweist, kann die den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 zugeführte Ladeluftmenge auch dadurch reduziert werden, dass die Geometrie der Turbine 14 des Abgasturboladers 13 angepasst wird.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine sich infolge der Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder 11 ausbildenden Temperatur ermittelt. Die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur wird vorzugsweise abhängig von der Abgastemperatur kennfeldabhängig ermittelt. So können in der Steuerungseinrichtung 22 Kennfelder hinterlegt sein, die abhängig vom Betriebspunkt bzw. Lastpunkt der Brennkraftmaschine 10 sowie abhängig von einer geschätzten oder gemessenen Abgastemperatur als Ausgangsgröße eine zu erwartende Temperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder 11 ausgeben.
  • Dann, wenn die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur größer als ein Grenzwert wird, wird eine Kraftstoffeinspritzung über die Kraftstoffinjektoren 12 in die Zylinder 11 angepasst, um die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur zu begrenzen oder auch zu reduzieren, und zwar ohne dass die Abgastemperatur merklich reduziert wird. Vorzugsweise wird die Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder 11 dadurch angepasst, dass ein Zeitpunkt und/oder eine Zeitdauer und/oder ein Druck und/oder eine Menge und/oder eine Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung angepasst wird oder werden. Hierdurch kann die in den jeweiligen Zylinder 11 der Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge angepasst werden.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass dann, wenn sich die infolge der Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur einen Grenzwert erreicht oder überschreitet, der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung nach spät verstellt und/oder die Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung erhöht wird, um die Energiemenge im Abgase zu erhöhen. So kann zum Beispiel im Anschluss an eine Haupteinspritzung des Kraftstoffs in die Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10 eine Nacheinspritzung erfolgen, um eine zusätzliche Menge an Kraftstoff in die Zylinder 11 einzubringen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Die Steuerungseinrichtung führt das Verfahren steuerungsseitig aus. Soll die Abgastemperatur erhöht werden, insbesondere zur Regeneration einer Baugruppe eines Abgasreinigungssystems oder zur Erhöhung der an einer Wärmerückgewinnungseinrichtung rückgewinnbaren Energie, so wird von der Steuerungseinrichtung steuerungsseitig die in die Zylinder eingebrachte Ladeluftmenge reduziert, und zwar vorzugsweise durch Ansteuerung des Bypassventils 20 und/oder des Ablassventils 21 oder bei variabler Turbinengeometrie der Turbine 14 des Abgasturboladers 13 durch Ansteuerung von Stelleinrichtungen der Turbine 14, die der Einstellung der Turbinengeometrie dienen. Ferner ermittelt die Steuerungseinrichtung insbesondere kennfeldabhängig diejenige Temperatur, die sich infolge der erhöhten Abgastemperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder 11, insbesondere an den Ablassventilen derselben, ausbildet. Stellt die Steuerungseinrichtung fest, dass die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur einen Grenzwert erreicht oder überschreitet, so steuert die Steuerungseinrichtung die Kraftstoff-Injektoren 12 der Zylinder 11 derart an, dass die in die Zylinder 11 eingebrachte Kraftstoffmenge verändert wird, insbesondere erhöht wird, vorzugsweise durch Änderung des Zeitpunkts und/oder der Zeitdauer und/oder des Drucks und/oder der Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung.
  • Die Erfindung wird vorzugsweise bei Schiffsdieselbrennkraftmaschinen genutzt, in welchen als Kraftstoff Schweröl verbrannt wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylindern (11), mit einem Abgasturbolader (13) und mit einem Abgasreinigungssystem (16), wobei Abgas, welches die Zylinder (11) der Brennkraftmaschine über Gaswechselventile derselben verlässt, über eine Turbine (14) des Abgasturboladers (13) führbar ist, um einen Verdichter (15) des Abgasturboladers (13), welcher den Zylindern (11) zuzuführende Ladeluft verdichtet, anzutreiben, wobei die Turbine (14) des Abgasturboladers (13) verlassendes Abgas über einen Katalysator (17, 18) und/oder einen Partikelfilter (19) des Abgasreinigungssystems (16) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems (16) und/oder stromaufwärts eines Wärmerückgewinnungssystems die Abgastemperatur dadurch angehoben wird, dass die den Zylindern (11) zugefügte Ladeluftmenge reduziert wird, eine sich infolge der Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen der Zylinder (11) ausbildende Temperatur ermittelt wird, dann, wenn die ermittelte Temperatur an den Gaswechselventilen größer als ein Grenzwert wird, eine Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder (11) angepasst wird, um die Temperatur an den Gaswechselventilen zu begrenzen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Zylindern (11) der Brennkraftmaschine (10) zugefügte Ladeluftmenge dadurch reduziert wird, dass Abgas an der Turbine (14) des Abgasturboladers (13) vorbeiführt und/oder Ladeluft abgeblasen und/oder eine Geometrie der Turbine (14) des Abgasturboladers (13) angepasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder (11) dadurch angepasst wird, dass ein Zeitpunkt und/oder eine Zeitdauer und/oder ein Druck und/oder eine Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung angepasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung nach spät verstellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sich an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur abhängig von der Abgastemperatur kennfeldabhängig ermittelt wird.
  7. Steuerungseinrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylindern (11), mit einem Abgasturbolader (13) und mit einem Abgasreinigungssystem (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur stromaufwärts des Abgasreinigungssystems (16) und/oder eines Wärmerückgewinnungssystems die Abgastemperatur dadurch anhebt, dass dieselbe die den Zylindern (11) zugefügte Ladeluftmenge steuerungsseitig reduziert, die Steuerungseinrichtung eine sich infolge der Anhebung der Abgastemperatur an den Gaswechselventilen ausbildende Temperatur ermittelt, die Steuerungseinrichtung dann, wenn die ermittelte Temperatur an den Gaswechselventilen größer als ein Grenzwert wird, eine Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder (11) steuerungsseitig anpasst, um die Temperatur an den Gaswechselventilen zu begrenzen.
  8. Steuerungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die den Zylindern (11) der Brennkraftmaschine zugefügte Ladeluftmenge dadurch steuerungsseitig reduziert, dass Abgas an der Turbine (14) des Abgasturboladers (13) vorgebeiführt und/oder Ladeluft abgeblasen und/oder eine Geometrie der Turbine (14) des Abgasturboladers (13) angepasst wird.
  9. Steuerungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder (11) dadurch steuerungsseitig anpasst, dass dieselbe einen Zeitpunkt und/oder eine Zeitdauer und/oder einen Druck und/oder eine Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung steuerungsseitig anpasst.
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