DE102018206295A1 - Verfahren zum Betreiben einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine mit VTG-Lader - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer (26) geöffnet und geschlossen werden, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird, wobei die Brennkraftmaschine mittels einem VTG-Lader aufgeladen wird und eine Abgasgegendruckbegrenzung in einem Lastsprung vorgenommen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Brennkraftmaschinen, insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine.
  • Ein vorteilhafter Kraftstoff für Brennkraftmaschinen ist Gas, insbesondere Erdgas, zum Beispiel Compressed Natural Gas (CNG), mit einem hohen Methananteil, da es eine große Oktanzahl und einen hohen Reinheitsgrad aufweist. Es gibt grundlegend zwei verschiedene Wege, das Gas einer Brennkammer der Brennkraftmaschine zuzuführen: In einer ersten Klasse von Brennkraftmaschinen erfolgt eine Saugrohreinblasung, bevorzugt an einer Mehrzahl von Positionen in zylinderindividuellen Fluidleitungen des Saugrohrs (äußere Gemischbildung). In einer zweiten Klasse von Brennkraftmaschinen wird das Gas direkt in die Brennkammer injiziert (innere Gemischbildung).
  • Versorgt werden die Injektoren mit Gas für die innere Gemischbildung aus einem Gasverteilerrohr (Gasrail), welches mit einem bestimmten Gasdruck betrieben wird und über einen Druckminderer mit einem Gastank verbunden ist. Die Höhe des bestimmten Gasdruck bedingt die Injektionszeit für das Gas in die Brennkammer, welche sich mit zunehmendem Gasdruck verkürzt. Aus praktischen Gründen sollte der bestimmte Gasdruck aber eher niedrig festgelegt sein, da er gleichzeitig den minimalen Druck definiert, bei dem noch Gas aus dem Gastank in das Gasrail strömt. In der Folge ergeben sich Restriktionen für die Injektionszeiten von Gas in die Brennkammer hinein. Limitierend für die zur Verfügung stehende Zeitdauer (Zeitfenster) für die Einbringung des Gases ist einerseits das Schließen des Auslassventils, damit unverbranntes Gas nicht aus der Brennkammer gespült wird. Anderseits muss die Einbringung des Gases beendet sein, bevor der Druck in der Brennkammer während der Kompression zu hohe Werte annimmt. Wenn der Druck in der Brennkammer höher als der Gasdruck ist, kann aufgrund des Widerstands nicht die gewünschte Gasmenge in die Brennkammer gelangen oder sogar eine Rückströmung von Gas durch den Injektor erfolgen.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2015 226 323 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine, die eine Brennkammer aufweist. Es wird eine Überschneidung der Öffnungszeiten eines Auslassventils und eines Einlassventils der Brennkammer bewirkt (Ventilüberschneidung), was auch verbreitet als „Scavenging“ bezeichnet wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft das Restgas aus dem Brennraum ausgespült (spülender Ladungswechsel), wodurch sich eine verglichen zum Betrieb ohne Ventilüberschneidung höhere Frischluftfüllung ergibt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine weiter zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine werden taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer geöffnet und geschlossen, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet, wobei die Brennkraftmaschine mittels einem VTG-Lader aufgeladen wird und eine Abgasgegendruckbegrenzung in einem Lastsprung vorgenommen wird. Durch die Abgasgegendruckbegrenzung im Lastsprung kann das Ansprechverhalten eines Fahrzeugs verbessert werden.
  • Die Brennkraftmaschine kann eine Traktionsmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines PKWs oder LKWs sein. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist insbesondere eine Gasbetriebene, beispielsweise eine mit Erdgas betriebe Brennkraftmaschine und kann darüber hinaus auch eine Flüssigkraftstoffverteileranlage aufweisen, so dass die Brennkraftmaschine bivalent wechselweise mit einem Flüssigkraftstoff, insbesondere mit Benzin, und mit Gas betreibbar ist. Insbesondere kann es sich auch um eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung des Flüssigkraftstoffs handeln.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Brennkraftmaschine wenigstens eine Brennkammer, die wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, und das wenigstens eine Einlassventil kann für ein Einlassevent zum Einbringen einer Ladung in die Brennkammer für die Zeitdauer des Drehens um einen Kurbelwellenwinkel geöffnet werden. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden in einen VTG (Variable Turbinengeometrie)-Turbolader eingeleitet, dessen Leitschaufeln bewegt werden können. Der VTG-Lader seinerseits nutzt die Restenergie der Abgase, um Luft von außen in die Brennkammer zu fördern und die Brennkraftmaschine aufzuladen.
  • Durch das Miller-Brennverfahren wird der Einsatz eines VTG-Turboladers möglich. Grundlage dafür sind die - gegenüber konventionellen Brennverfahren - geringere Abgastemperaturen. Durch den höheren effektiven Motorwirkungsgrad sinkt weiterhin der für die Motorleistung benötigte Frischluftmassenstrom. Somit kann für die Brennkraftmaschine ein VTG-Lader ausgelegt werden, der ohne zusätzliches Wastegate auskommt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis eine Zielfüllung erreicht ist, oder die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis ein Sollladedruck erreicht ist. Um stationär den optimalen Verbrauch zu realisieren, geht die bekannte stationäre Grundbedatung (d.h. bei Nutzung der für den stationären Fall vorgesehenen Kennlinien, Kennfelder, Parametern und/ Konstanten in der Steuerungslogik) schnellstmöglich in Richtung früher Nockenwellenpositionen. Dadurch würde sich aber das Ansprechverhalten verzögern. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis die Zielfüllung bzw. der Sollladedruck erreicht ist. Erst dann erfolgt die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte.
  • Beispielsweise kann nach Erreichen des Sollladedrucks der dynamische Abgasdruck schnell auf seinen stationären Zielwert abgebaut werden. So kann nach Erreichen der Zielfüllung bzw. des Sollladedrucks die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte erfolgen.
  • Vorteilhafter Weise wird das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges reduziert. So können hohe Unterschiede zwischen dem dynamischen und stationären Wert vermieden werden, die zu fahrverhaltensrelevanten Auffälligkeiten führen könnten, weil sich das Brennverfahren extrem schnell von einem stark negativen Spülgefälle auf deutlich positivere Werten anpassen muss.
  • Das Aufstauverhalten des VTG-Laders kann gegen Ende des Lastsprunges reduziert werden durch Öffnen der VTG-Schaufeln bereits vor Erreichen des Sollladedrucks. Das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges kann beispielsweise durch eine VTG-Stellerbegrenzung erfolgen. Zu Beginn können die VTG-Schaufeln maximal geschlossen werden. Vor Erreichen des Sollladedrucks kann die VTG-Stellung dann auf niedrigere Werte limitiert werden und somit das Delta zwischen dynamischem und stationären Abgasgegendruck entscheidend reduziert werden.
  • Die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte kann durch frühes Schließen des Einlassventils erfolgen. Nach dem Lastsprung kann der Wert der VTG-Position dem der stationären Vorsteuerung folgen. Ein frühes Schließen des Einlassventils kann realisiert werden, indem das Einlassventil noch während des Ansaugtaktes geschlossen werden.
  • Zur Einregelung des Zielladedrucks kann ferner ein Dämpfereingriff erfolgen. Durch den Dämpfereingriff kann der VTG-Lader schnell und um einen großen Betrag geöffnet werden. Somit kann der Istladedruck hinreichend schnell abgefangen werden, so dass sich ein harmonisches Einregelverhalten einstellt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Lastsprungstart ein maximaler Wert der VTG-Position eingestellt und danach erfolgt eine Limitierung infolge der Abgasgendruckreduktion und der Einkoordinierung des Dämpfers.
  • Konventionelle CNG-Motoren mit äußerer Gemischbildung haben den Nachteil des Füllungsverlustes, da sowohl die Frischluft als auch der benötigte Kraftstoff durch den Einlasskanal in den Brennraum gefördert werden müssen. Hieraus resultiert bei gleichen Randbedingungen gegenüber einer direkten Kraftstoffeinbringung eine geringere Frischladungsmenge und somit eine geringere Leistung des Motors. Dies äußert sich vor allem bei niedrigen Motordrehzahlen in einem stark verzögerten Ansprechverhalten eines CNG-Fahrzeuges, das mit dem hier beschriebenen Verfahren vermieden werden kann. Damit wird ein optimaler Turbinenwirkungsgradverlauf ermöglicht. Um den Füllungsnachteil mit einem höheren Ladedruck ausgleichen zu können, kann die maximal mögliche Turbinenleistung zur Verfügung gestellt werden. Dies erfolgt durch die vollständige Schließung der VTG-Schaufeln, damit der maximal mögliche Turbineneintrittsdruck erzeugt wird. Das kann genutzt werden, weil das erfindungsgemäße Brennverfahren eine sehr geringe Klopfneigung aufweist. Die benzinbefeuerte Brennkraftmaschine zeigt sich hier wesentlich sensitiver, so dass die überhöhten Abgasgegendrücke wohl nicht umgesetzt werden könnten.
  • Daher wird für die erdgasbefeuerte Brennkraftmaschine die vorhandene VTG-Kartusche der benzinbefeuerten Brennkraftmaschine so weiterentwickelt, dass sie in Kombination mit dem identischen Turbinenrad einen deutlich stärkeren Abgasdruckaufbau ermöglicht. In Verbindung mit der füllungsoptimalen Wahl der Steuerzeiten - die in dieser Ausprägung durch die Klopffestigkeit des Brennverfahren möglich sind - ist dies die Grundlage für das gute Ansprechverhalten des offenbarten Verfahrens.
  • Im Lastsprung kann zudem eine Verschiebung der Schwerpunktlage des Zündwinkels (in Richtung späterer Verbrennung) vorgenommen werden, was den Vorteil hat, dass zusätzliche Enthalpie vor der Turbine bereitgestellt wird. Hierdurch wird die Turbinenleistung gesteigert, wodurch die Dynamik des Ladedruckaufbaus zusätzlich erhöht wird. Diese Vorgehensweise hat insbesondere bei Brennverfahren mit optimalen Schwerpunktlagen (wie bei CNG-Motoren) einen Nutzen, da der Vorteil der höheren Enthalpie vor Turbine den Nachteil des geringeren Motorwirkungsgrades (infolge der späteren Zündung) überwiegt.
  • Bei dem in die Brennkammer eingeblasenem Gas kann es sich um einen CNG-Kraftstoff handeln. Der Kraftstoff CNG hat den Vorteil einer hohen Klopffestigkeit, was eine niedrige Temperatur der Ladung ermöglicht und in wirkungsgradoptimalen Schwerpunktlagen resultiert.
  • Bei dem Brennverfahren kann ferner das Einlassventil geöffnet werden, bevor das Auslassventil bereits wieder geschlossen ist, so dass sich ein Einblas-Zeitfenster in einen Ansaugtakt hinein erstreckt.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Motorsteuerung mit einem Prozessor, der dazu ausgelegt ist, das hier beschriebene Verfahren auszuführen. Der Prozessor der Motorsteuerung kann beispielsweise mittels Software-Instruktionen bewirken, dass Einlass- und Auslassventile gemäß dem vorgesehen Zyklus geöffnet bzw. geschlossen werden. Insbesondere kann der Prozessor der Motorsteuerung dazu ausgelegt sein, dass taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer geöffnet und geschlossen werden, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird. Insbesondere kann der Prozessor der Motorsteuerung dazu ausgelegt sein, ein frühes Schließen des Einlassventils zu steuern. Auch kann der Prozessor der Motorsteuerung dazu ausgelegt sein, die Öffnung des Leitschaufelapparates eines VTG-Laders zu steuern.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit VTG Turbolader in einem Fahrzeug mit Motorsteuergerät, in welchem ein Programm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorhanden ist, abbildet;
    • 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert;
    • 3 den Soll- und Istladedruckverlauf während eines beispielhaften Lastsprunges zeigt;
    • 4 zusätzlich die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition zeigt;
    • 5 einen beispielhaften optimalen Abgasgegendruckaufbau für die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition gemäß 4 zeigt;
    • 6 eine beispielhafte Stellerbegrenzung der VTG im Lastsprung zeigt.
    • 7 den Wert der VTG-Stellung der aus der stationären Vorsteuerung resultiert zeigt; und
    • 8 beispielhaft den Wert des Dämpfereingriffs und den finalen, aus allen Teilprozessen resultierenden Wert für die Ansteuerung der VTG-Position zeigt.
  • 1 zeigt eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 12, welche mit Erdgas (hier CNG), als Kraftstoff betrieben wird, in einem Fahrzeug 10 mit einem Motorsteuergerät 30 und einem Motorblock 14. Die Brennkraftmaschine 12 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine fremdgezündete Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine 12 wird mittels eines VTG-Verdichters (Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie) 18 aufgeladen.
  • Dem Motorblock 14, bevorzugt einem Hubkolbenmotor mit hier beispielhaft vier Brennkammern 26 oder Zylindern, wird durch eine Frischgasanlage 16 Luft zugeführt. Die Luft wird mit einem Verdichter 20 des VTG-Verdichters 18 in der Frischgasanlage 16 komprimiert. Stromab des Verdichters 20 befindet sich eine hier nicht zeichnerisch dargestellte Drosselvorrichtung. Jeder Brennkammer 26 ist ein Gasinjektor 28 zugeordnet, mit welchem Gas direkt in die Brennkammer eingebracht werden kann. An die Gasinjektoren 28 wird das Gas ausgehend von einem hier nicht zeichnerisch dargestellten Gastank über ein hier nicht zeichnerisch dargestelltes Gasrail verteilt. Das Gasrail befindet sich stromab eines hier nicht zeichnerisch dargestellten Druckminderventils, welches den Gasdruck vom Tankdruck auf den Gasraildruck reduziert. Das aus den Brennkammern 26 abgeführte Abgas gelangt in eine Abgasanlage 22, in welcher es zunächst eine Turbine 24 des VTG-Laders 18 antreibt. Das entspannte Abgas strömt danach durch hier nicht zeichnerisch dargestellte Komponenten der Abgasnachbehandlung.
  • 2 stellt schematisch den Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 12 mit einer Topologie gemäß der 1 wird mit Gas als Kraftstoff betrieben, wobei taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer 26 geöffnet und geschlossen werden sowie die verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird. Gegen Ende eines Arbeitstaktes wird das wenigstens eine Auslassventil geöffnet, um das Abgas aus der Brennkammer hauptsächlich während des Ausstoßtaktes zu entfernen.
  • In Schritt 36 wird das wenigstens eine Einlassventil für ein Einlassevent geöffnet. In Schritt 38 wird das Auslassventil geschlossen. Nach Schritt 38 beginnt das Zeitfenster, in welchem Gas in die Brennkammer eingeblasen wird (Schritt 40), wobei noch das Einlassventil geöffnet ist und die Brennkraftmaschine mittels des VTG-Laders aufgeladen wird. Das Einblas-Zeitfenster kann sich dabei in den Ansaugtakt hinein erstrecken. Es wird nicht mehr eingeblasen, sobald die Ladung mit dem eingeblasen Gas in der Brennkammer 26 verdichtet wird. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn das Einlassventil geschlossen worden ist und gleichzeitig das Volumen der Brennkammer geometrisch reduziert wird. In einem Schritt 42 wird das wenigstens eine Einlassventil durch entsprechende Einstellung der Einlassnockenwelle geschlossen. Im stationären Zustand erfolgt dieses Schließen früh, insbesondere noch während des Ansaugetakts, also insbesondere bevor die Brennkammer 26 ein maximales Volumen erreicht hat und das Volumen noch zunimmt. Dieses frühe Schliessen des Einlassventils (vgl. 4, rechte Hälfte) im stationären Zustand wird im Folgenden auch als „Frühes Einlassschliessen“ (FES) bezeichnet. In einem Lastsprung wird eine Abgasgegendruckbegrenzung in vorgenommen. Beispielsweise wird bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis die Zielfüllung erreicht ist. Alternativ kann die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten werden, bis der Sollladeruck erreicht ist. Es schließt sich im Schritt 44 das Verdichten der Ladung an, welche danach gezündet wird, so dass ein nächster Arbeitstakt beginnt.
  • Bei dem Prozess kann es vorkommen, dass das Einlassventil geöffnet wird, bevor das Auslassventil bereits wieder geschlossen ist, und somit eine Ventilüberschneidung erfolgt, die zur Folge hat, dass Restgas aus dem Brennraum ausgespült wird (spülender Ladungswechsel).
  • In den folgenden Abbildungen werden der grundlegende Ablauf eines CNG-Lastsprungs und die hierfür erforderlichen Eingriffe sukzessive erläutert.
  • 3 zeigt den Soll- und Istladedruckverlauf während eines beispielhaften Lastsprunges. Auf der Rechtswertachse des Diagramms ist die Zeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind Sollladedruck 50 (gestrichelte Linie) und Istladedruck 52 (durchgezogene Linie) in mbar über der Zeit aufgetragen. Infolge einer Lastanforderung bei ca. 0.8s springt der Sollladedruck 50 sprunghaft von etwa 1000 mbar auf etwa 1700 mbar an. Der Ist-Ladedruckaufbau 52, der aus der Lastanforderung resultiert, folgt der Lastanforderung mit Zeitverzögerung und erreicht das Sollniveau nach etwa 2s.
  • 4 zeigt zusätzlich die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition. Auf der Rechtswertachse des Diagramms ist wieder die Zeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind wie in 3 der Sollladedruck 50 (gestrichelte Linie) und der Istladedruck 52 (durchgezogene Linie) in mbar über der Zeit aufgetragen. Ferner sind auf der Hochwertachse die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54 in °KW gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hinzugefügt, welches das Ansprechverhalten verbessert. Zudem ist zum Vergleich die Einlassnockenwellenposition 56 bei stationärer Grundbedatung in °KW aufgetragen, welche aus einer Steuerung auf verbrauchsoptimale Werte im stationären Fall resultieren würde (d.h. ohne die erfindungsgemäße Verbesserung des Ansprechverhaltens). Ein Wert von 22 °KW markiert eine Referenzlage und wird in diesem Ausführungsbeispiel als füllungsoptimal erachtet. Von dieser Position wird die Nockenwelle in Richtung früherer Einlassöffnung verstellt, wodurch das Miller-Brennverfahren umgesetzt wird. Eine frühere Phasenlage benötigt in der Folge auch wieder einen höheren Ladedruck um den Füllungsverlust infolge des Miller-Brennverfahrens ausgleichen zu können. Um stationär den optimalen Verbrauch zu realisieren, geht die stationäre Grundbedatung 56 daher auch schnellstmöglich in Richtung früher Nockenwellenpositionen. Dadurch würde sich aber das Ansprechverhalten verzögern. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle länger in Referenzposition gehalten. Beispielsweise wird die Einlassnockenwellenposition in Abhängigkeit einer Zielfüllung und einer Istfüllung gesteuert, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Differenz von Zielfüllung und einer Istfüllung gesteuert werden. Alternativ kann die Einlassnockenwellenposition auch in Abhängigkeit eines Sollladedrucks und eines Istladedrucks (vgl. 50 und 52 in 3) gesteuert, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Differenz von Zielfüllung und einer Istfüllung gesteuert werden. Die Größen Zielfüllung und Istfüllung bzw. Sollladedruck und Istladedruck liegen dabei in der Motorsteuerung vor, so dass die Regelung darauf zugreifen kann. Auf diese Weise kann die Einlassnockenwelle beispielsweise so lange in der Referenzposition gehalten, bis die Zielfüllung bzw. der Sollladedruck erreicht ist. Erst dann erfolgt die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte. Die Umstellung aus der Referenzposition auf verbrauchsoptimale Werte kann dabei mit dem Fachmann bekannten Mitteln stufenartig oder kontinuierlich ausgelegt werden, so dass eine schnelle Umstellung oder, alternativ, eine graduelle Umstellung aus der Referenzposition auf verbrauchsoptimale Werte erfolgt.
  • 5 zeigt einen beispielhaften optimalen Abgasgegendruckaufbau für die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition gemäß 4. Auf der Hochwertachse sind wie in 4 der Sollladedruck 50, der Istladedruck 52 und die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54 aufgetragen. Zudem ist auf der Hochwertachse der optimale Abgasgegendruckaufbau 58 in mbar für die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54 aufgetragen. Hierdurch wird die eingangs beschriebene maximale Turbinenleistung erzeugt, um den schnellen Laderdruckaufbau überhaupt zu ermöglichen. Nach Erreichen des Sollladedrucks bei etwa 2s wird der dynamische Abgasdruck 58 sehr schnell auf seinen stationären Zielwert abgebaut.
  • Sehr hohe Unterschiede zwischen dem dynamischen und stationären Wert führen zu fahrverhaltensrelevanten Auffälligkeiten, weil sich das Brennverfahren extrem schnell von einem stark negativen Spülgefälle auf deutlich positivere Werten anpassen muss. Um dieses grundlegende Verhalten zu verbessern, wird erfindungsgemäß das Aufstauverhalten der VTG gegen Ende des Lastsprunges 52 reduziert. Konkret erfolgt dies in diesem Ausführungsbeispiel durch das Öffnen der VTG-Schaufeln bereits vor Erreichen des Sollladedrucks.
  • 6 zeigt eine beispielhafte Stellerbegrenzung der VTG im Lastsprung. Auf der Rechtswertachse des Diagramms ist wieder die Zeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind wie in 5 der Sollladedruck 50 und der Istladedruck 52 in mbar, die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54 in °KW und der optimale Abgasgegendruckaufbau 58 in mbar über der Zeit aufgetragen. Zudem ist die Stellerbegrenzung 60 der VTG in % im Lastsprung aufgetragen. Zu Beginn nimmt diese Größe einen Wert von 100 % ein. Die VTG-Schaufeln können also maximal geschlossen werden. Vor Erreichen des Sollladedrucks wird die VTG-Stellung dann aber auf niedrigere Werte limitiert und somit das Delta zwischen dynamischem und stationären Abgasgegendruck entscheidend reduziert.
  • 7 zeigt den Wert der VTG-Stellung der aus der stationären Vorsteuerung resultiert. Auf der Hochwertachse sind wie in 6 der Sollladedruck 50, der Istladedruck 52, die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54, der optimale Abgasgegendruckaufbau 58 und die Stellerbegrenzung 60 der VTG über der Zeit aufgetragen. Zudem ist der Wert der VTG-Stellung 62 in %, der aus der stationären Vorsteuerung resultiert, aufgetragen.
  • Um die Einregelung des Zielladedrucks 50 final einstellen zu können, erfolgt noch die Koordination eines Dämpfereingriffs 8 zeigt beispielhaft den Wert des Dämpfereingriffs und den finalen, aus allen Teilprozessen resultierenden Wert für die Ansteuerung der VTG-Position. Auf der Hochwertachse sind wie in 7 der Sollladedruck 50, der Istladedruck 52, die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54, der optimale Abgasgegendruckaufbau 58, die Stellerbegrenzung 60 der VTG und der aus der stationären Vorsteuerung resultierende Wert der VTG-Stellung 62 über der Zeit aufgetragen. Zudem sind der Wert 66 des Dämpfereingriffs und der finale, aus allen Teilprozessen resultierenden Wert 68 für die Ansteuerung der VTG-Position in % gezeigt. Durch den Dämpfereingriff 66 wird die VTG extrem schnell und um einen großen Betrag geöffnet. Somit kann der Istladedruck 52 hinreichend schnell abgefangen werden, so dass sich ein harmonisches Einregelverhalten einstellt. Im Lastsprungstart wird gemäß der Stellerbegrenzung 60 ein maximaler Wert der VTG-Position 68 von 100 % ermöglicht. Danach erfolgt die Limitierung infolge der Abgasgendruckreduktion und die Einkoordinierung des Dämpfers 66. Schlussendlich folgt der Wert der VTG-Position 68 dem der stationären Vorsteuerung 62.
  • Zur weiteren Optimierung kann zusätzlich im Lastsprung auch eine Verschiebung der Schwerpunktlage des Zündwinkels vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine Verschiebung des Zündwinkels aus einer Schwerpunktlage von 8 °KW in eine spätere Lage von 9 °KW n erfolgen. Somit wird die Abgastemperatur und damit die Enthalpie vor der Turbine weiter angehoben. In der Folge steht mehr Turbinenleistung für den dynamischen Ladedruckaufbau zur Verfügung. Das Motoransprechverhalten wird also noch dynamischer.
  • In Summe ist das Ansprechverhalten der erdgasbefeuerten Brennkraftmaschine gemäß diesem Ausführungsbeispiel also eine Kombination aus angepasster VTG-Auslegung, dynamischer Steuerzeitenwahl, Abgasgegendruckbegrenzung im Lastsprung und den klassischen Mechanismen in der Ladedruckregelung. Alle diese Umfänge sind deutlich unterschiedlich bedatet, als bei der benzinbefeuerten Brennkraftmaschine, da hier durch die erhöhte Klopfneigung abweichende Randbedingungen zu Grunde liegen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fahrzeug
    12
    Brennkraftmaschine
    14
    Motorblock
    16
    Frischgasanlage
    18
    VTG-Turbolader
    20
    Verdichter
    22
    Abgasanlage
    24
    Abgasturbine
    26
    Brennkammer
    28
    Gasinjektor
    30
    Motorsteuergerät
    32
    Rechner
    34
    Speicherelement
    36
    Schritt des Öffnens des Einlassventils
    38
    Schritt des Schließens des Auslassventils
    40
    Schritt des Einblasens des Gases
    42
    Schritt des Schließens des Einlassventils
    44
    Schritt des Verdichtens der Ladung
    50
    Sollladedruck
    52
    Istladedruck
    54
    eingestellte Werte für die Einlassnockenwellenposition
    56
    Einlassnockenwellenposition bei stationärer Grundbedatung
    58
    dynamischer Abgasdruck
    60
    Stellerbegrenzung
    62
    VTG-Stellung, die aus der stationären Vorsteuerung resultiert
    66
    Dämpfereingriff
    68
    resultierender Wert für die Ansteuerung der VTG-Position
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015226323 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer (26) geöffnet und geschlossen werden, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird, wobei die Brennkraftmaschine mittels einem VTG-Lader aufgeladen wird und eine Abgasgegendruckbegrenzung in einem Lastsprung vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten wird, bis eine Zielfüllung erreicht ist, oder die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten wird, bis ein Sollladedruck erreicht ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach Erreichen des Sollladedrucks der dynamische Abgasdruck schnell auf seinen stationären Zielwert abgebaut wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges reduziert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges reduziert wird durch Öffnen der VTG-Schaufeln bereits vor Erreichen des Sollladedrucks.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach dem Lastsprung die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte durch frühes Schließen des Einlassventils erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zur Einregelung des Zielladedrucks ein Dämpfereingriff erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Lastsprungstart ein maximaler Wert der VTG-Position eingestellt wird und danach eine Limitierung infolge der Abgasgendruckreduktion und der Einkoordinierung des Dämpfers erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Lastsprung eine Verschiebung der Schwerpunktlage des Zündwinkels vorgenommen wird.
  10. Motorsteuerung mit einem Prozessor, der dazu ausgelegt ist das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
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