DE102020215579A1 - Process for reducing the amount of water required to protect components in Otto engines with water injection systems - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer durch einen Lader (31) aufgeladenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit einem Brennraum (22), in dem eine Verbrennung abläuft, einer Antriebswelle (28) und einem Abgassystem (13), wobei in einem Schritt- die Brennkraftmaschine (10) in einem Betriebspunkt (P0) bei einer Drehzahl (n28; n28P) der Antriebswelle (28) betrieben wird, zu dem ein Luftverhältnis (Lambda) in einem Brennraum (22) eingestellt wird, wobei in diesem Betriebspunkt (P0) ein Drehmoment (M28,0) eingestellt wird, das gerade noch mit einem stöchiometrischen Luftverhältnis (Lambda) erzielt wird und gleichzeitig eine maximal zulässige Temperatur (Tzul,max) des Abgassystems (13) gerade noch eingehalten wird, ohne dass dem Brennraum (22) Wasser zugeführt wird,- wobei der Lader (31) in diesem Betriebspunkt (P0) mit seiner geringstmöglichen Leistung betrieben wird,- wobei Maßnahmen ergriffen werden, um eine Temperatur (T13) im Abgassystem (13) zu verringern.Method for operating a supercharged, spark-ignited internal combustion engine (10) having a combustion chamber (22) in which combustion takes place, a drive shaft (28) and an exhaust system (13), in one step the internal combustion engine ( 10) is operated at an operating point (P0) at a speed (n28; n28P) of the drive shaft (28) at which an air ratio (lambda) is set in a combustion chamber (22), with a torque ( M28.0) that is just achieved with a stoichiometric air ratio (lambda) and at the same time a maximum permissible temperature (Tzul,max) of the exhaust system (13) is just maintained without water being fed to the combustion chamber (22). - wherein the charger (31) is operated at its lowest possible power in this operating point (P0), - wherein measures are taken to reduce a temperature (T13) in the exhaust system (13).
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Gemischanreicherung stattfindet, sobald eine bestimmte Motorleistung wegen zu hohen Abgastemperaturen nicht mehr erreicht werden kann. Aus dem Stand der Technik sind auch Brennkraftmaschinen bekannt, deren Verbrennungsabläufe in den Brennräumen durch den Einsatz einer Wassereinspritzung anstelle der Gemischanreicherung beeinflusst werden. Ein Vorteil dieser Wassereinspritzung besteht darin, dass eine Temperatur des Abgases gegenüber einer Temperatur des Abgases aus einer Verbrennung ohne die Einbringung von Wasser durch eine Wassereinspritzung verringert ist. Dadurch können Bauteile in einem Abgasstrang, beispielsweise die Turbine, ein Katalysator oder ein Partikelfilter, vor zu hohen Temperaturen und damit Zerstörung geschützt werden. Zudem können durch die dadurch reduzierten Temperaturen Emissionen vermindert werden und die Leistung einer Brennkraftmaschine gesteigert werden.It is known from the prior art that mixture enrichment takes place as soon as a certain engine performance can no longer be achieved because the exhaust gas temperatures are too high. Internal combustion engines are also known from the prior art whose combustion processes in the combustion chambers are influenced by the use of water injection instead of mixture enrichment. An advantage of this water injection is that a temperature of the exhaust gas is reduced over a temperature of the exhaust gas from combustion without the introduction of water through water injection. As a result, components in an exhaust line, for example the turbine, a catalytic converter or a particle filter, can be protected from excessive temperatures and the resulting damage. In addition, as a result of the reduced temperatures, emissions can be reduced and the performance of an internal combustion engine can be increased.
Die Einspritzung von Wasser kommt zu Einsatz, um die bisher verwendetet Gemischanfettung zum Zweck des Bauteilschutzes zu ersetzen und somit einen stöchiometrischen Betrieb zu erreichen. Die Gemischanreicherung hat den Nachteil, dass es Betriebspunkte gibt, in denen ein Gemisch als sogenannt „fett“ gilt und dem entsprechend einen Lambdawert von kleiner 1 aufweist. Durch die Gemischanreicherung wird die Abgastemperatur gesenkt. Durch einen unterstöchiometrischen Betrieb ist die Funktion des 3-Wege-Katalysators nicht mehr gewährleistet, es treten stark erhöhte Kohlenwasserstoff- und Kohlenstoffmonooxidemissionen und ein stark erhöhter Kraftstoffverbrauch aufThe injection of water is used to replace the previously used mixture enrichment for the purpose of component protection and thus to achieve stoichiometric operation. Mixture enrichment has the disadvantage that there are operating points at which a mixture is considered “rich” and accordingly has a lambda value of less than 1. The exhaust gas temperature is reduced by the mixture enrichment. Sub-stoichiometric operation means that the function of the 3-way catalytic converter is no longer guaranteed, and there are greatly increased hydrocarbon and carbon monoxide emissions and greatly increased fuel consumption
Die Wirkungsweise der Wassereinspritzung beruht vorrangig auf dem Effekt der Abkühlung der Zylinderladung, in dem die hohe Verdampfungsenthalpie von Wasser ausgenutzt wird. Zum einen wird so das Temperaturniveau des Prozesses reduziert und die Neigung zu Klopfen verringert. Beides wirkt sich in einer Reduktion der Abgastemperatur aus.
Von besonderer Bedeutung ist bei diesem Verfahren, dass die dabei benötigte Wassermenge verringert werden soll. Einerseits handelt es sich beim einzuspritzenden Wasser um ein weiteres Medium, welches im Fahrzeug sowohl mitgeführt also wieder aufgefüllt werden muss. Zudem beeinflusst ein entsprechender Tank die Raumnutzung innerhalb der Karosserie („Packaging“). Es ist daher anzustreben eine sinnvoll kleine Tankgröße für das Wasser vorzusehen. Ein reduzierter Wasserverbrauch führt somit zu einer Verlängerung eines Intervalls zum Nachtanken und andererseits zu einer erhöhten Reichweite im Wasserbetrieb mit einer Wassertankfüllung. Weitere Gründe für eine Reduktion der Wasserrate sind zudem die Verringerung einer sogenannten Blowby-Menge und damit des Eintrags von Wasser in das Motorenöl. Es ist daher vorgesehen den Kennfeldbereich, der stöchiometrisch betrieben werden kann, zu vergrößern und den Kennfeldbereich, welcher bei noch höheren Leistungen liegt und in dem Wasser eingespritzt werden muss, zu verkleinern und zum anderen die Wassermenge in dem Kennfeldbereich mit Wassereinspritzung zu reduzieren.The mode of operation of the water injection is primarily based on the effect of cooling the cylinder charge, in which the high enthalpy of vaporization of water is used. On the one hand, the temperature level of the process is reduced and the tendency to knock is reduced. Both have the effect of reducing the exhaust gas temperature.
Of particular importance in this process is that the amount of water required should be reduced. On the one hand, the water to be injected is another medium that has to be carried in the vehicle and therefore has to be refilled. In addition, a corresponding tank influences the use of space within the body (“packaging”). It is therefore desirable to provide a sensibly small tank size for the water. A reduced water consumption thus leads to an extension of the interval for refueling and, on the other hand, to an increased range in water operation with one water tank filling. Other reasons for reducing the water rate are also the reduction of a so-called blow-by quantity and thus the entry of water into the engine oil. It is therefore intended to increase the map range that can be operated stoichiometrically and to reduce the map range that is at even higher power levels and in which water must be injected, and on the other hand to reduce the amount of water in the map range with water injection.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer durch einen Lader aufgeladenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem Brennraum vorgesehen. Die Brennkraftmaschine wird in einem Betriebspunkt bei einer Drehzahl der Antriebswelle betrieben, zu dem ein Luftverhältnis in einem Brennraum eingestellt wird, wobei in diesem Betriebspunkt ein Drehmoment eingestellt wird, das gerade noch mit einem stöchiometrischen Luftverhältnis erzielt wird und gleichzeitig eine maximal zulässige Temperatur des Abgassystems gerade noch eingehalten wird, ohne dass dem Brennraum Wasser zugeführt wird, wobei der Lader in diesem Betriebspunkt mit seiner geringstmöglichen Leistung betrieben wird, und Maßnahmen ergriffen werden, um eine Temperatur im Abgassystem zu verringern. Dies hat den Vorteil, dass die bereits erwähnten Elemente des Abgasstrangs, wie die Turbine, der Katalysator oder ein Partikelfilter, vor zu hohen Temperaturen und damit der Zerstörung geschützt werden.According to a first aspect of the invention, a method of operating a supercharged, spark-ignited internal combustion engine having a combustion chamber is provided. The internal combustion engine is operated at an operating point at a speed of the drive shaft at which an air ratio is set in a combustion chamber, with a torque being set at this operating point that is just achieved with a stoichiometric air ratio and at the same time a maximum permissible temperature of the exhaust system is just is still maintained without water being supplied to the combustion chamber, with the charger being operated at its lowest possible power at this operating point, and measures being taken to reduce a temperature in the exhaust system. This has the advantage that the elements of the exhaust system already mentioned, such as the turbine, the catalytic converter or a particle filter, are protected from excessive temperatures and thus destruction.
Gemäß einer ersten Variante eines entsprechenden Verfahrens ist ein sogenanntes künstliches Androsseln vorgesehen. Dazu wird in einem ersten Schritt die Leistung eines Laders erhöht und dadurch ein Druck in einem Saugrohr zwischen dem Lader und einer Drosselklappe erhöht. Dies geht mit einer Erhöhung der Turbinenleistung einher. Hierdurch wird die Enthalpie im Abgas nach der Turbine reduziert und die Abgastemperatur verringert. Dies hat den Vorteil, dass dann, wenn der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zuvor bereits so liegt, dass eine Temperatur des Abgases nach der Turbine einen maximal zulässigen Temperaturwert einnimmt, von der Temperatur her wieder Abstand zum maximal zulässigen Temperaturwert gewonnen wird. D. h., dass bereits durch diesen Ansatz - trotz des Ansatzes einer Veränderung des Betriebspunktes zu höheren Leistungen - potenziell eine Kühlung der Verbrennung durch Wasser vermieden werden kann. Der Ansatz ist nur möglich sofern die maximal zulässige Turbineneintrittstemperatur noch nicht erreicht ist.According to a first variant of a corresponding method, so-called artificial throttling is provided. For this purpose, in a first step, the power of a charger is increased, thereby increasing the pressure in an intake manifold between the charger and a throttle valve. This is accompanied by an increase in turbine power. This reduces the enthalpy in the exhaust gas after the turbine and lowers the exhaust gas temperature. This has the advantage that when the operating point of the internal combustion engine is already such that a temperature of the exhaust gas after the turbine assumes a maximum permissible temperature value, the distance from the maximum permissible temperature value is regained in terms of temperature. This means that even with this approach - despite the approach of changing the operating point to higher outputs - cooling of the combustion by water can potentially be avoided. The approach is only possible if the maximum permissible turbine inlet temperature has not yet been reached.
Für den Fall, dass ein Betriebspunkt jedoch nicht zu tendenziell höheren Leistungen verschoben werden soll, ist vorgesehen, dass eine einhergehende Erhöhung des Drucks in dem Saugrohr zwischen dem Lader und der Drosselklappe für den darauffolgenden Teil des Saugrohres zwischen der Drosselklappe und einem Einlass in einen Brennraum durch die Drosselklappe wieder verringert wird. Dadurch wird erreicht, dass eine Luftfüllung in dem Brennraum im Idealfall nicht zunimmt, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda gleich 1 wieder eingestellt wird und dadurch auch eine Kraftstoffmasse im Brennraum gleich groß wie vor dieser Maßnahme ist. Ein Drehmoment nimmt dann an der Antriebswelle nicht zu.However, in the event that an operating point is not to be shifted towards higher power levels, provision is made for an associated immediate increase in the pressure in the intake manifold between the charger and the throttle valve is reduced again for the subsequent part of the intake manifold between the throttle valve and an inlet into a combustion chamber through the throttle valve. As a result, an air charge in the combustion chamber does not increase in the ideal case, an air-fuel ratio lambda equal to 1 is set again, and as a result a fuel mass in the combustion chamber is also the same as before this measure. A torque then does not increase at the drive shaft.
Falls nach einer ersten Iteration (Erhöhung der Luftmasse durch den Lader, Erhöhung des Drucks durch den Lader, Absenkung des Drucks durch die Drosselklappe) immer noch ein Abstand zwischen der Abgastemperatur an der kritischen Stelle und der zulässigen Maximaltemperatur an der kritischen Stelle vorliegt, kann das Verfahren wie eben beschrieben wiederholt werden. So ist es möglich die Motorleistung bis zum Erreichen des Abgastemperaturlimits zu steigern. Im finalen Zustand ist die Turbinenleistung, Verdichterleistung und die max. bei Lambda = 1 abgegebene Motorleistung gegenüber dem Ausgangszustand erhöht, die Drosselklappe jedoch weiter geschlossen als zuvor.If after a first iteration (increasing the air mass through the charger, increasing the pressure through the charger, reducing the pressure through the throttle valve), there is still a difference between the exhaust gas temperature at the critical point and the maximum permissible temperature at the critical point, this can Procedures as just described are repeated. This makes it possible to increase engine performance until the exhaust gas temperature limit is reached. In the final state, the turbine power, compressor power and the maximum engine power output at lambda = 1 is increased compared to the initial state, but the throttle valve is closed further than before.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist dann, wenn in dem Abgassystem eine maximal zulässige Temperatur ohne die Zufuhr von Wasser nicht mehr eingehalten werden kann, vorgesehen, dass in einem weiteren Schritt Wasser in den Brennraum eingespritzt wird. Dies ermöglicht wieder das Herstellen eines Abstands zwischen der Abgastemperatur an der kritischen Stelle und der zulässigen Maximaltemperatur an der kritischen Stelle. Ein derartiges Ergebnis nach Wassereinspritzung kann dazu genutzt werden, wieder eine Erhöhung des Drucks durch den Lader und danach eine Absenkung des Drucks durch die Drosselklappe vorzusehen.According to a further aspect of the invention, when a maximum permissible temperature can no longer be maintained in the exhaust system without the supply of water, provision is made for water to be injected into the combustion chamber in a further step. This enables a margin to be restored between the exhaust gas temperature at the critical point and the maximum allowable temperature at the critical point. Such a result after water injection can be used to again provide an increase in pressure through the supercharger and then a decrease in pressure through the throttle valve.
Gemäß einem alternativen Verfahren kann vorgesehen sein, in einem Schritt einen Schwerpunkt der Verbrennung im Brennraum zu verschieben und so eine Abgastemperatur an einer kritischen Stelle des Abgasstrangs zu verringern. Dabei ist vorgesehen, den Schwerpunkt der Verbrennung nach früh zu verschieben und zwar über den wirkungsgradoptimalen Verbrennungsschwerpunkt hinaus. Falls durch eine Verschiebung des Schwerpunkts der Verbrennung nach früh keine Senkung der Abgastemperatur an der kritischen Stelle mehr bewirkt bzw. alternativ die Gefahr des Klopfens während der Verbrennung zu groß wird, kann das Einspritzen von Wasser in den Brennraum eine Kühlung der Verbrennung und damit sowohl eine Senkung der Abgastemperatur als auch eine Verringerung der Gefahr des Klopfens bewirken, was wiederrum eine Frühverschiebung des Zündwinkels ermöglicht. Zudem können die beiden oben genannten Verfahren miteinander kombiniert werden, um eine Senkung der Abgastemperatur an einer kritischen Stelle weiter zu verringern.According to an alternative method, provision can be made to shift a focus of combustion in the combustion chamber in one step and thus reduce an exhaust gas temperature at a critical point in the exhaust system. It is intended to shift the center of combustion to an earlier point beyond the center of combustion that is optimal in terms of efficiency. If shifting the focus of combustion forward no longer lowers the exhaust gas temperature at the critical point or alternatively the risk of knocking during combustion becomes too great, injecting water into the combustion chamber can cool the combustion and thus both Lowering the exhaust gas temperature as well as reducing the risk of knocking, which in turn enables the ignition angle to be advanced. In addition, the two methods mentioned above can be combined with one another in order to further reduce the drop in exhaust gas temperature at a critical point.
Des Weiteren ist ein Computerprogramm vorgesehen, das alle Schritte eines der Verfahren ausführt. Zudem ist optional ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen, auf dem das. Computerprogramm gespeichert ist. Des Weiteren soll ein Steuergerät so ausgebildet sein, dass dieses alle Schritte eines der Verfahren ausführen kann.Furthermore, a computer program is provided that executes all the steps of one of the methods. In addition, a machine-readable storage medium is optionally provided, on which the computer program is stored. Furthermore, a control device should be designed in such a way that it can carry out all the steps of one of the methods.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines typischen Systems aus Brennkraftmaschine, Abgassystem und Luftzufuhrsystem, -
2 eine Darstellung eines beispielhaften prinzipiellen Verlaufs eines maximalen Drehmoments, -
3 eine Darstellung einer benötigten Wasserrate in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine, -
4 einen Verfahrensablauf eines ersten Ausführungsbeispiels, -
5 einen Verdichter mit elektrischer Maschine, -
6 ein zweites prinzipiell dargestelltes Verfahren zum Beeinflussen einer Abgastemperatur.
-
1 a representation of a typical system of internal combustion engine, exhaust system and air supply system, -
2 a representation of an exemplary basic course of a maximum torque, -
3 a representation of a required water rate depending on a load of the internal combustion engine, -
4 a process flow of a first embodiment, -
5 a compressor with an electric machine, -
6 a second method shown in principle for influencing an exhaust gas temperature.
In der
Das Abgassystem 13 dient dazu, aus einem Brennraum 22 ausgelassenes Abgas in die Umgebung abzuführen. Es weist hierzu ein Rohrsystem auf, welches - typischerweise beginnend mit einem Abgaskrümmer - das Abgas einem Lader 31 zuführt. Dabei wird das Abgas einer Abgasseite 34 des Laders 31 zugeführt. Innerhalb dieser Abgasseite 34 treibt das Abgas ein Turbinenrad 37 an, welches über eine Welle 38 mit einem Verdichterrad 40 in Drehmoment übertragender Weise verbunden ist. Nach dem Durchlauf des Abgases durch die Abgasseite 34 tritt das Abgas in einen Rohrbereich 43, der das Abgas einem Abgasreaktor 47 (beispielsweise einem Dreiwegekatalysator) zuführt. In diesem Abgasreaktor 47 wird das Abgas in seiner chemischen Zusammensetzung bestimmungsgemäß verändert. Diesem Abgasreaktor 47 kann beispielsweise noch ein weiterer hier nicht dargestellter Abgasreaktor folgen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Partikelfilter handeln.The
Dem Lader 31 bzw. dessen Abgasseite 34 ist in einem Nebenstrompfad 49 ein Nebenstromventil 50 parallelgeschaltet. Dieses Nebenstromventil 50 (auch Bypassventil oder Wastegate genannt) dient dazu den Druck des Abgases vor dem Turbinenrad 37 zu verändern und somit den Druck des Verdichters, den Ladedruck, zu verändern. Ist das Nebenstromventil 50 beispielsweise geschlossen, und dadurch der Nebenstrompfad 49 geschlossen, so wird die gesamte Menge des Abgases über das Turbinenrad 37 geleitet. Ist das Nebenstromventil 50 teilweise oder gar ganz geöffnet, so wird ein Teil des Abgases an der Abgasseite 34 des Laders 31 vorbei geleitet, um eine in diesem Fall unerwünschte Erhöhung des Drucks vor der Turbine und damit schlussendlich des Ladedrucks zu vermeiden.A
Das Luftzufuhrsystem 16 beginnt stromaufwärts mit einem Einlass 60, durch den die Luft aus der Umgebung angesaugt wird. Diese Luft wird in eine Verdichterseite 63 des Laders 31 eingesaugt und von dort durch das Verdichterrad 40 weitertransportiert. Zunächst wird diese komprimierte Luft in einen Ladeluftkühler 66 gedrückt und dort gekühlt. Von dort wird diese Luft in ein Saugrohr 69 gedrückt. Durch eine Drosselklappe 72 wird eine Luftmenge, welche in die Brennräume 22 gelangen soll, genau dosiert. Beispielsweise wird durch teilweises Schließen der Drosselklappe 72 die Luftmenge und ein Luftdruck zwischen der Drosselklappe 72 und einem Einlassventil verringert.The
In
Ein erstes beispielhaftes Verfahren V1 wird nachfolgend anhand der
Für dieses erste beispielhafte Verfahren wird ein System vorausgesetzt, wie es in der
Es wird zunächst von einem Betriebspunkt P0, dem die Drehzahl n28P und das Drehmoment M28,0 zugeordnet sind, ausgegangen. Bei diesem Betriebspunkt P0 ist es entsprechend dem zuvor Erwähnten gerade noch möglich die maximal zulässige Temperatur Tzul,max einzuhalten. Zudem ist bei diesem Betriebspunkt P0 das Luftverhältnis Lambda gleich 1, weshalb dieser Betriebspunkt P0 auf der Linie Lllim liegt bzw. sich aus dieser Eigenschaft dieser Punkt der Linie Lllim ergibt. Das Nebenstromventil 50 hat in diesem Betriebspunkt P0 eine bestimmte Schließstellung p50,0. Zudem ist es in diesem Betriebspunkt P0 auch gerade noch nicht erforderlich besondere Kühlmaßnahmen zu ergreifen, d. h. das gerade noch ohne die Einspritzung von Wasser in den Brennraum 22 ausgekommen werden kann. Oberhalb dieses Betriebspunkts P0 müsste Wasser eingespritzt werden oder das Gemisch angereichert werden, um die maximal zulässige Temperatur Tzul,max weiterhin einhalten zu können. Ein Ladedruck des Laders 31 entspricht nun dem Ladedruck p31,0.An operating point P0, to which the speed n28P and the torque M28,0 are assigned, is initially assumed. At this operating point P0, it is just about possible to maintain the maximum permissible temperature Tzul,max in accordance with what was mentioned above. In addition, at this operating point P0 the air/fuel ratio lambda is equal to 1, which is why this operating point P0 lies on the line Lllim or this point on the line Lllim results from this property. At this operating point P0, the
Ausgehend von dieser Situation wird im Rahmen des Verfahrens das Nebenstromventil 50 in eine neue Schließstellung p50,1 gebracht, d. h. allgemein eine Leistung P31 des Laders 31 wird erhöht, Schritt S1, d. h. durch diese neue Schließstellung p50,1 ist das Nebenstromventil 50 weiter geschlossen als in der Schließstellung p50,0. Dieses weitere Schließen des Nebenstromventils 50 hat eine Erhöhung einer Leistung des Laders 31 zur Folge. Wie beim Vergleich mit der Darstellung nach
In diesem Beispiel nach
Selbstverständlich ist es nicht erforderlich, dass im Rahmen des Verfahrens eine Drehzahl n28P der Antriebswelle 28 auf einen konstanten Wert gehalten werden muss, wie dies in
In der
Es gilt somit zusammenfassend, dass unterhalb der bzw. bis einschließlich der Verbindungslinie zwischen den Punkten A-D, Lllim die Temperaturgrenze T47,lim eingehalten werden kann, ohne zusätzliche kühlende innermotorische Maßnahmen zu ergreifen zu müssen. Für dieses beispielhafte Verfahren gilt, dass oberhalb der Verbindungslinie zwischen den Punkten A-D, Lllim und bis einschließlich der Verbindungslinie zwischen den Punkten A-E, L1lim' die Temperaturgrenze T47,lim eingehalten werden kann, wobei weiterhin keine zusätzlichen kühlenden innermotorischen Maßnahmen ergriffen werden müssen (kein Einspritzen von Wasser). Durch dieses beispielhafte Verfahren wird somit erreicht, dass erst mit dem Überschreiten der Verbindungslinie zwischen den Punkten A - E, L1lim' zusätzliche kühlende innermotorische Maßnahmen ergriffen werden müssen, d. h. das Einspritzen von Wasser erfolgen muss, um die Temperaturgrenze T47,lim einzuhalten. Mit dem Erreichen der Verbindungslinie zwischen den Punkten A-C, L1lim", d. h. mit einem beispielhaften Schließen des Nebenstromventils 50 und angepasstem Schließen des Querschnitts der Drosselklappe 72, sowie kühlenden innermotorischen Maßnahmen durch Einspritzen von Wasser, kann gerade noch die Temperaturgrenze T47,lim eingehalten werden. Oberhalb dieser Linie zwischen den Punkten A-C, L1lim" kann mit den hier beschriebenen Maßnahmen die Temperaturgrenze T47 nicht mehr eingehalten werden. Dies bedeutet, dass durch die Verschiebung der Grenze von L1,lim zu L1,lim' ein Bereich des Kennfelds, in dem Wasser in einen Brennraum 22 eingespritzt werden muss, um die Temperaturgrenze T47,lim einzuhalten, verkleinert ist. Dementsprechend kann eine mitzuführende Wassermenge erwartungsgemäß verringert werden. Oder anders formuliert: bei gleichbleibender Wassermenge kann entsprechend dem hier vorgeschlagenen Verfahren erwartungsgemäß eine längere Fahrstrecke zurückgelegt werden.In summary, the temperature limit T47,lim can be maintained below or up to and including the connecting line between points A-D, Lllim without having to take additional cooling measures within the engine. For this exemplary method, it applies that above the connecting line between points A-D, Lllim and up to and including the connecting line between points A-E, L1lim', the temperature limit T47,lim can be maintained, with no additional cooling internal engine measures having to be taken (no injection of water). This exemplary method means that additional cooling internal engine measures only have to be taken when the connecting line between points AE, L1lim' is crossed, i. H. water must be injected in order to comply with the temperature limit T47,lim. When the connecting line between points AC, L1lim" is reached, i.e. with an exemplary closing of the
Das Verfahren erreicht seinen Grenzen erst, wenn folgende Begrenzungen auftreten: wenn eine maximal zulässige Temperatur vor der Abgasseite 34 bzw. dem Turbinenrad 37 und eine maximal zulässige Temperatur in dem Abgasreaktor 47 gleichzeitig erreicht sind. Alternativ gilt dies, wenn ein maximal zulässiger Druck vor der Abgasseite 34 bzw. dem Turbinenrad 37 erreicht ist, oder wenn eine maximal zulässige Drehzahl des Laders 31 erreicht ist oder wenn eine maximal zulässige Temperatur am Ausgang der Verdichterseite 63 erreicht ist oder wenn ein maximal zulässiger Ladedruck erreicht ist.The method only reaches its limits when the following limitations occur: when a maximum permissible temperature in front of the
Hierzu ist in einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine 10 eine Funktion geschaffen, die es ermöglicht drehzahl- und lastabhängig eine Druckdifferenz über die Drosselklappe 72 zu bedaten, um die gewünschte Temperaturabsenkung zu verwirklichen. Diese Druckdifferenz ist dann additiv zum erforderlichen und bedateten Sollladedruck zuzurechnen. Ein gewünschter Ladedruck und der für die Last erforderliche Saugrohrdruck p69 werden dann durch die Motorsteuerung eingeregelt. Der gewünschte Ladedruck p52 am Eingang 52 der Abgasseite 34 wird über die Stellung des Nebenstromventils 50, die Zylinderfüllung wird über die Stellung der Drosselklappe 72 eingestellt bzw. geregelt. Diese Funktionalität zur Absenkung der Temperatur T47 wird koordiniert. Kann beispielsweise eine erforderliche Druckdifferenz nicht mehr eingestellt werden, ist ein entsprechender Temperaturanstieg über eine vergrößerte Wassereinspritzrate zu kompensieren. Alternativ kann die Funktion auch dadurch umgesetzt werden, indem über Drehzahl/Last (Betriebspunkt) eine Stellung der Drosselklappe 72 fest vorbedatet wird. Eine Regelung der Last erfolgt dann rein über das Stellen des erforderlichen Ladedrucks. Auch bei diesem Ansatz ist eine Art der Koordination erforderlich. Kann der erforderliche Ladedruck nicht gestellt werden, muss die Drosselklappe 72 weiter geöffnet werden und die Wasserrate entsprechend angehoben werden.For this purpose, a function is created in an engine controller of the
Für den Fall, dass statt eines Laders 31 mit fester Geometrie ein Lader 31 mit variabler Turbinengeometrie ohne Nebenstromventil verwendet wird, wird anstatt einer Änderung einer Einstellung der Schließstellung des Nebenstromventils ersatzweise eine Änderung der variablen Turbinengeometrie vorgenommen und auf diese Weise allgemein eine Leistung P31 des Laders 31 erhöht. Die oben beschriebenen Schritte in Bezug zu dem Nebenstromventil sind ohne Weiteres auf den Lader 31 mit variabler Turbinengeometrie zu übertragen.In the event that instead of a
In einem weiteren, auf dem ersten Ausführungsbeispiel basierenden Ausführungsbeispiel wird eine Nockenwelle 30 in einer speziellen Ausführung verwendet. Hierfür kommen in diesem Fall zwei verschiedene alternative Ausführungen infrage. Die erste alternative Ausführung ist die bereits erwähnte Millernockenwelle, die in Bezug auf einen Brennraum 22 eine Öffnungsdauer bzw. einen Öffnungswinkel von kleiner gleich 190° Kurbelwellenwinkel aufweist. Dieser Öffnungswinkel ist auf einen Hub von größer 0,5 mm bezogen. Eine Brennkraftmaschine 10 mit einer derartigen Nockenwelle 30 hätte in ihrem Abgassystem 13 - wie bereits oben beschrieben - entweder einen Lader 31 mit fester Geometrie, dem parallel ein Nebenstrompfad 40 mit einem Nebenstromventil 50 geschaltet ist, oder einen Lader 31 mit variabler Turbinengeometrie ohne Nebenstromventil. Während also eine Erhöhung eines Ladedrucks p52, wie bereits oben erwähnt, durch Ansteuern entweder des Nebenstromventils 50 oder Verändern der variablen Turbinengeometrie erfolgt, findet in diesem Ausführungsbeispiel das Androsseln vor allem mit der Millernockenwelle statt. Die Last steigt dadurch nicht an. Androsseln bedeutet dabei, dass das Androsseln durch eine Frühverstellung der Nockenwelle 30, das heißt der Millernockenwelle, erfolgt. Frühverstellung bedeutet, dass durch die Nockenwelle 30 ein Einlass in einen Brennraum 22 früher als zuvor bei niedrigerem Druck p69,2 geschlossen wird, um so die Füllung von Luft und damit auch eines Luft-Kraftstoff-Gemischs zu verkleinern. Sollte bei einem derartigen Vorgehen, d. h. nur über die Verstellung der Nockenwelle 30, ein Androsseln im gewünschten Umfang nicht vollständig möglich sein, wird - wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen - das Androsseln durch Verkleinern eines freien Querschnitts der Drosselklappe 72 ergänzt. Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Androsseln nur zu einem geringeren Anteil über die Drosselklappe 72 erfolgt. Zwecks Drosselung des Luftstroms durch das Einlassventil kann auch ein Hub eines Einlassventils verringert werden, bspw. durch Verstellung der Nockenwelle 30.In another embodiment based on the first embodiment, a
Die Nockenwelle 30 soll hier nicht zur Lastregelung verwendet werden. Die nach früh zu verstellende Position der Nockenwelle 30 wird während der Applikation in der Entwicklungsphase fest vorbedatet; dies ist aber durchaus abhängig von äußeren Randbedingungen wie Umgebungsdruck, Ansaugtemperatur, Motortemperatur usw.. Eine Laststeuerung der Brennkraftmaschine 10 findet weiterhin über ein Nebenstromventil 50 bzw. Verändern der variablen Turbinengeometrie sowie das Verstellen der Drosselklappe 72 statt. Auch in diesem Falle muss es in der Steuerung der Brennkraftmaschine 10 eine Funktionalität geben, die einen Vorhalt eines Differenzdrucks über die Drosselklappe 72 erlaubt.The
Bei der zweiten alternativen Ausführung wird als Nockenwelle 30 die bereits erwähnte Atkinsonnockenwelle verwendet. In Bezug auf einen Brennraum 22 weist diese eine Öffnungsdauer bzw. einen Öffnungswinkel von größer gleich 220° Kurbelwellenwinkel auf. Auch dieser Öffnungswinkel ist auf einen Hub von mindestens 0,5 mm bezogen. Wie bereits bei der Ausführung zuvor beschrieben, hat auch eine solche Brennkraftmaschine 10 mit einer derartigen Nockenwelle 30 in seinem Abgassystem 13 entweder einen Lader 31 mit fester Geometrie, dem parallel ein Nebenstrompfad 40 mit einem Nebenstromventil 50 geschaltet ist, oder einen Lader 31 mit variabler Turbinengeometrie ohne Nebenstromventil.In the second alternative embodiment, the already mentioned Atkinson camshaft is used as the
Auch hier wird eine Erhöhung eines Ladedrucks p52, wie bereits oben erwähnt, durch Ansteuern entweder des Nebenstromventils 50 oder Verändern der variablen Turbinengeometrie vorgenommen, und findet in diesem Ausführungsbeispiel das Androsseln vor allem mit der Atkinsonnockenwelle statt. Die Last steigt dadurch nicht an. Androsseln bedeutet in diesem Fall, dass das Androsseln durch eine Spätverstellung der Nockenwelle 30, das heißt der Atkinsonnockenwelle, erfolgt. Spätverstellung bedeutet, dass durch die Nockenwelle 30 ein Einlass in einen Brennraum 22 später geschlossen wird als bei niedrigerem Druck p69,2. Dies findet dann statt, wenn der Druck p69,2 in dem Saugrohr 69 zwischen der Drosselklappe 72 und dem Einlass in den Brennraum 22 gestiegen ist. Sollte bei einem derartigen Vorgehen, d. h. nur über die Verstellung der Nockenwelle 30, ein Androsseln im gewünschten Umfang nicht vollständig möglich sein, wird, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, das Androsseln durch Verkleinern eines freien Querschnitts der Drosselklappe 72 ergänzt. Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Androsseln nur zu einem geringeren Anteil über die Drosselklappe 72 erfolgt. Zwecks Drosselung des Luftstroms durch das Einlassventil kann auch ein Hub eines Einlassventils verringert werden, bspw. durch Verstellung der Nockenwelle 30.Here, too, boost pressure p52 is increased, as already mentioned above, by either activating
Nachfolgend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel in zwei Varianten beschrieben. Es basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel und kann in einer ersten Variante das in
In beiden Fällen läuft das Verfahren derartig ab, dass das Nebenstromventil 50 bzw. die variable Turbinengeometrie des Laders 31 weiterhin im jeweils gewünschten beziehungsweise erforderlichen Rahmen geschlossen wird. In diesem Fall findet jedoch das Drosseln des Ladedrucks bzw. Saugrohrdrucks p69 - zwecks Erhalt der benötigten Luftfüllung im Brennraum 22 - nicht durch Verstellen (weiteres Schließen oder Öffnen) der Drosselklappe 72 statt. Vielmehr erfolgt das Einstellen der gewünschten Luftfüllung und damit Androsseln des Luftstroms durch kombiniertes Ansteuern der Nockenwelle 30. Dieses kombinierte Ansteuern der Nockenwelle 30 kann dabei eine Verstellung der Einlassnockenwelle nach früh aufweisen und zudem eine Verringerung des Hubs eines Einlassventils. Durch diese hier vorgeschlagenen Maßnahmen wird ebenfalls eine Verringerung der Temperatur nach dem Turbinenrad 37 und damit auch eine Verringerung der Temperatur T47 im Abgasreaktor 47 erreicht. Wie bereits zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, wird dadurch eine Erhöhung der Last ermöglicht und eine Verringerung eines Wasserverbrauchs möglich.In both cases, the method proceeds in such a way that the
Im Falle einer Brennkraftmaschine 10 mit variablem Ventilhub kann die Funktionalität bzw. Regelfunktionalität auf zwei verschiedene Arten umgesetzt werden. Entweder wird der Ventilhub analog zu den Steuerzeiten drehzahl- beziehungsweise lastabhängig mit einem niedrigeren Ventilhub fest vorbedatet. In diesem Zusammenhang findet dann eine Regelung der Last direkt über die Einregelung eines erforderlichen Ladedrucks p69 durch passende Verstellung der variablen Turbinengeometrie oder passende Verstellung des Nebenstromventils 50 statt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Steuerzeit bzw. die Steuerzeiten der Nockenwelle 30 mit variablem Ventilhub nicht der Lastregelung dienen und während der Applikation festgelegt wird. Alternativ kann die Funktionalität des Androsseln so umgesetzt werden, dass ein gewünschter Ladedruck p69 gestellt beziehungsweise voreingestellt wird. Eine Füllung eines Zylinders 19 bzw. eines Brennraums 22 wird dann über den Ventilhub geregelt.In the case of an
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Art der Koordination erforderlich. Kann ein erforderlicher Ladedruck p69 nicht gestellt werden, muss ein Ventilhub vergrößert werden und eine Wasserrate entsprechend erhöht werden.Some form of coordination is also required in this exemplary embodiment. If a required boost pressure p69 cannot be provided, a valve lift must be increased and a water rate increased accordingly.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel auf der Grundlage des hier beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels sieht einen Lader 31 vor, der elektrisch unterstützt ist. Dieser Lader 31,
Ein weiteres grundsätzliches Verfahren V2 zur Verringerung eine Abgastemperatur wird nachfolgend mit Bezug zu
In diesem Leistungsbereich deutlich unterhalb einer Nennleistung wird ein Zündwinkel so appliziert, dass sich ein hinsichtlich des Verbrauchs an Kraftstoff optimaler Verbrennungsschwerpunkt einstellt. Dieser Schwerpunkt liegt bei ca. 8° Kurbelwelle nach dem Zünd-OT (OT = oberer Totpunkt). Dennoch könnten sich durch die eingestellten Betriebspunkte in diesem Leistungsbereich bereits Abgastemperaturen einstellen, die eine zulässige Maximaltemperatur vor einem Lader 31 oder eine zulässige Maximaltemperatur in einem Abgasreaktor 47 überschreiten würden. Aus diesem Grund würde sich eine Vorverlegung eines Zündzeitpunkts empfehlen, da dies zu einer Verringerung der Abgastemperaturen führen würde. Nachteilig wäre - entsprechend dem oben beschriebenen Mechanismus der Begünstigung des Klopfens - dabei, dass deutliche Temperatursteigerungen und Drucksteigerungen früher einträten. Einer der Hauptwirkmechanismen der Wassereinspritzung ist die Verringerung der Neigung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu klopfen, in dem dieses Gemisch zum Zündzeitpunkt beziehungsweise bereits vor dem Zündzeitpunkt gekühlt wird. D. h., dass es bei Vorverlegung des Zündzeitpunkts bereits in diesem Leistungsbereich erforderlich sein kann bzw. wäre einen Ablauf der Verbrennung in einem Brennraum 22 so zu beeinflussen - beispielsweise durch Einspritzung von Wasser in den Brennraum 22, Schritt S12 - so, dass die Temperatur des Verbrennungsgeschehens zwecks Vermeiden von Klopfen verringert und so gleichzeitig eine Temperatur des Abgases gesenkt würde. Wäre eine Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung auf frühestens 8° Kurbelwelle nach Zünd-OT begrenzt, wäre auch eine Hauptwirkung der Einspritzung von Wasser begrenzt. Das geregelte Vorgehen wäre wie folgt: Bei Erreichen des Temperaturlimits, Frühverschiebung des Zündwinkels bis an die Klopfgrenze, unter der dann möglichen Anhebung der Last. Sollte die Klopfgrenze erreicht sein, kann dann zur weiteren Lastanhebung Wasser eingespritzt werden. Der dann einzustellende Zündwinkel kann immer früher als der wirkungsgradoptimale Zündwinkel sein, um die Abgastemperatur entsprechend niedrig zu halten.In this power range, which is well below a nominal power, an ignition angle is applied in such a way that an optimal combustion focus is set in terms of fuel consumption. This center of gravity is at approx. 8° crankshaft after ignition TDC (TDC = top dead center). Nevertheless, due to the set operating points in this power range, exhaust gas temperatures could already set in that would exceed a permissible maximum temperature upstream of a
Wie bereits angedeutet, ist im Rahmen dieses Verfahrens vorgesehen, die Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung auch über einen verbrauchsoptimalen Punkt weiter nach früh zu verschieben (Schritt 11), um die Abgastemperatur zu senken. Eine Grenze der Verschiebung nach früh ist erreicht, sobald eine der folgenden Grenzen erreicht wird: die Klopfgrenze, der maximal zulässige Zylinderdruck, der maximal zulässige Zylinderdruckanstieg. Ein angeforderter Zündwinkel wird in der Steuerung der Brennkraftmaschine 10 dazu in einem Format gespeichert, welches als Einflussfaktoren eine aktuelle Drehzahl, eine abzurufende bzw. einzustellende Last, Steuerzeiten und eine Wasserrate berücksichtigt.As already indicated, within the scope of this method it is provided that the shift in the center of combustion is also advanced further beyond a consumption-optimal point (step 11) in order to reduce the exhaust gas temperature. A limit of advance is reached when one of the following limits is reached: the knock limit, the maximum allowable cylinder pressure, the maximum allowable cylinder pressure rise. For this purpose, a requested ignition angle is stored in the controller of the
Die beiden hier grundsätzlich beschriebenen Verfahren V1 „künstliches Androsseln“ und V2 „Verschiebung der Verbrennungsschwerpunktlage über den verbrauchsoptimalen Punkt nach früh“ können in beliebiger Ausprägung miteinander kombiniert werden. Um eine minimierte beziehungsweise minimale Wasserrate als Optimum zu erhalten, ist eine Ermittlung von detaillierten Daten im Rahmen einer Applikation zu bestimmen.The two methods V1 “artificial throttling” and V2 “advanced shift in the center of combustion beyond the consumption-optimal point” described here in principle can be combined with one another in any form. In order to obtain a minimized or minimum water rate as an optimum, detailed data must be determined as part of an application.
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