DE102021125400A1 - GASOLINE ENGINE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffsensoreinheit zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuereinheit zur Einstellung eines Betriebsparameters aufweist, mit den Verfahrensschritten Ermittlung der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit Anpassen eines Betriebsparameters des Verbrennungsprozesses. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotors und ein Motoraggregat.The invention relates to a method for controlling a combustion process in an internal combustion engine, the internal combustion engine being operable with a first type of fuel and a second type of fuel or with a fuel mixture of the first and at least the second type of fuel, the internal combustion engine having a fuel sensor unit for determining the type of fuel and having a control unit for setting an operating parameter, with the method steps of determining the types of fuel contained in the fuel using the fuel sensor unit and adjusting an operating parameter of the combustion process. The invention also relates to a device for controlling the combustion process of a multiple-fuel gasoline engine and an engine unit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffsensoreinheit zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuereinheit zur Einstellung eines Betriebsparameters aufweist, mit den Verfahrensschritten Ermittlung der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit Anpassen eines Betriebsparameters des Verbrennungsprozesses. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotors und ein Motoraggregat.The invention relates to a method for controlling a combustion process in an internal combustion engine, the internal combustion engine being operable with a first type of fuel and a second type of fuel or with a fuel mixture of the first and at least the second type of fuel, the internal combustion engine having a fuel sensor unit for determining the type of fuel and having a control unit for setting an operating parameter, with the method steps of determining the types of fuel contained in the fuel using the fuel sensor unit and adjusting an operating parameter of the combustion process. The invention also relates to a device for controlling the combustion process of a multiple-fuel gasoline engine and an engine unit.
Stand der TechnikState of the art
Brennkraftmaschinen auf der Basis von Otto-Motoren werden üblicherweise mit Kraftstoff aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugte Alkanole, beispielsweise Ethanol oder Methanol, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen beigemengt. In den USA und Europa wird z.B. eine Mischung aus 75-85% Ethanol und 15-25% Benzin unter dem Markennamen E85 eingesetzt. Derartige Brennkraftmaschinen sind so ausgelegt, dass sie sowohl mit reinem Benzin als auch mit Mischungen bis hin zu E85 betrieben werden können; es sind auch Konzepte bekannt, nach denen die Brennkraftmaschine bis hin zu wasserhaltigem E100 betreibbar ist. Die zur Verwendung kommenden Alkanole weisen eine andere, höhere Oktanzahl als herkömmliches Benzin auf, eine auf Benzinkraftstoff ausgelegte Brennkraftmaschine kann daher nicht ohne Anpassungen mit einem Kraftstoff betrieben werden, der einen signifikanten Anteil an Alkanolen aufweist.Internal combustion engines based on Otto engines are usually operated with fuel from fossil fuels based on refined petroleum. Alkanols produced from renewable raw materials, such as ethanol or methanol, are increasingly being added to this fuel in various mixing ratios. In the USA and Europe, for example, a mixture of 75-85% ethanol and 15-25% gasoline is used under the brand name E85. Internal combustion engines of this type are designed in such a way that they can be operated both with pure petrol and with mixtures up to E85; concepts are also known according to which the internal combustion engine can be operated up to water-containing E100. The alkanols used have a different, higher octane number than conventional gasoline, so an internal combustion engine designed for gasoline fuel cannot be operated without adjustments with a fuel that has a significant proportion of alkanols.
Die Schrift
Die Schrift
Die Schrift
Die hier vorgestellten Brennkraftmaschinen und deren Steuerungen sind auf einen Kraftstoff ausgerichtet, der im Wesentlichen Benzin und Ethanol enthält. Bevorzugt wird der Kraftstoff E85. Kraftstoff, der neben Benzin Methanol und/oder Ethanol in wesentlichen veränderlichen Anteilen enthält, wird nicht verwendet.The internal combustion engines presented here and their controls are designed for a fuel that essentially contains gasoline and ethanol. E85 fuel is preferred. fuel that in addition to gasoline, contains methanol and/or ethanol in substantially variable proportions is not used.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem eine Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen betreibbar ist. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein Motoraggregat bereitzustellen, das mit unterschiedlichen Kraftstoffen betreibbar ist.It is therefore the object of the invention to provide a method for controlling a combustion process in an internal combustion engine, with which an internal combustion engine can be operated with different fuels. It is also an object of the invention to provide a motor assembly that can be operated with different fuels.
Die genannte Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 dargelegt.The stated task is solved by means of the method for controlling a combustion process in an internal combustion engine. Further advantageous configurations of the invention are set out in subclaims 2 to 9.
Die Brennkraftmaschine ist mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar. Die Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffsensoreinheit zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuerung zur Einstellung eines Betriebsparameters auf. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine weist zwei Verfahrensschritte auf: im ersten Verfahrensschritt wird mit der Kraftstoffsensoreinheit die in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt ein Otto-Motor mit einer Fremdzündung. Zur Abgasreinigung weist die Brennkraftmaschine einen Abgas-Katalysator gesteuert durch eine Lambda-Sonde auf. Kraftstoffarten im Sinne dieser Schrift sind Benzin, Ethanol und Methanol.The internal combustion engine can be operated with a first type of fuel and a second type of fuel or with a fuel mixture of the first and at least the second type of fuel. The internal combustion engine has a fuel sensor unit for determining the type of fuel and a controller for setting an operating parameter. The method according to the invention for controlling a combustion process in an internal combustion engine has two method steps: in the first method step, the types of fuel contained in the fuel are determined with the fuel sensor unit. The internal combustion engine is preferably an Otto engine with spark ignition. To clean the exhaust gas, the internal combustion engine has an exhaust gas catalytic converter controlled by a lambda probe. Types of fuel within the meaning of this document are gasoline, ethanol and methanol.
Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst. Der Betriebsparameter ist z.B. die Zusammensetzung des Kraftstoffgasgemisches, speziell die Menge des Kraftstoffs zur Einstellung eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses für Lambda = 1. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff-Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weitergeleitet. Auf Basis der so ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, hier Lambda=1, optimiert.In the second method step, an operating parameter of the combustion process is adjusted. The operating parameter is e.g. the composition of the fuel-gas mixture, specifically the amount of fuel for setting an air/fuel ratio for Lambda = 1. The fuel sensor unit is used to determine the current fuel composition before the injection time and the current exhaust gas composition, i.e. the oxygen partial pressure in the exhaust gas and forwarded to the control electronics of the internal combustion engine. On the basis of the composition of the fuel mixture determined in this way, the combustion of the internal combustion engine is optimized, in particular by setting the most favorable air/fuel ratio, here lambda=1.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen oder einem Gemisch zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten, ohne dass ein Nutzer Einstellungen an der Brennkraftmaschine vornehmen muss. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit wird die Art des bzw. der Kraftstoffe ermittelt und ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine automatisch angepasst.The method according to the invention enables an internal combustion engine to be operated with two different fuels or a mixture of two different types of fuel, without the user having to make any settings on the internal combustion engine. The type of fuel or fuels is determined by means of the fuel sensor unit and an operating parameter of the combustion process of the internal combustion engine is automatically adjusted.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Brennkraftmaschine mit einer dritten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten, zweiten und/oder dritten Kraftstoffart betreibbar. Die Kraftstoffsensoreinheit ermittelt die in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten, aufgrund derer ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst wird.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine can be operated with a third type of fuel or with a fuel mixture of the first, second and/or third type of fuel. The fuel sensor unit determines the types of fuel contained in the fuel, on the basis of which an operating parameter of the combustion process is adjusted.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Kraftstoffarten Benzin, Ethanol und/oder Methanol. Alle diese drei Kraftstoffe sind verfügbar, seit langem etabliert und sicher zu handhaben. Ethanol und Methanol sind zusätzlich klimaneutral aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar.In a development of the invention, the types of fuel include gasoline, ethanol and/or methanol. All three of these fuels are available, long established and safe to use. Ethanol and methanol can also be produced in a climate-neutral manner from renewable raw materials.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird neben der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit die Konzentrationen in der dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt. Zusätzlich zur Ermittlung der Art des Kraftstoffes wird der jeweilige Anteil bzw. die Konzentration der jeweiligen Kraftstoffart in dem Kraftstoff ermittelt.In an advantageous embodiment of the invention, in addition to the types of fuel contained in the fuel, the fuel sensor unit is used to determine the concentrations in the types of fuel contained in the fuel. In addition to determining the type of fuel, the respective proportion or the concentration of the respective fuel type in the fuel is determined.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Betriebsparameter auf einen der ermittelten Kraftstoffart und/oder Zusammensetzung zugeordnetem Wert verändert. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kraftstoffarten wird der Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst.In a development of the invention, the operating parameter is changed to a value assigned to the determined fuel type and/or composition. Due to the different chemical and physical properties of the fuel types, the operating parameters of the combustion process are adjusted.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der veränderte Betriebsparameter die Einspritzmenge des Kraftstoffgemisches. Die Einspritzmenge des Kraftstoffs wird bei einem Otto-Motor auf das Luft-/Kraftstoffverhältnis für Lambda = 1 eingestellt. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff-Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weitergeleitet. Auf Basis der so ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, optimiert.In a further embodiment of the invention, the changed operating parameter includes the injection quantity of the fuel mixture. In a Otto engine, the injected fuel quantity is set to the air/fuel ratio for Lambda = 1. Using the fuel sensor unit, the current fuel composition before the injection time and the current exhaust gas composition, i.e. the oxygen partial pressure in the exhaust gas, is determined and forwarded to the control electronics of the internal combustion engine. The combustion of the internal combustion engine is optimized on the basis of the composition of the fuel mixture determined in this way, in particular by setting the most favorable air/fuel ratio.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst der veränderte Betriebsparameter den Verbrennungsschwerpunkt und/oder den Zündzeitpunkt. Der Verbrennungsschwerpunkt ist der Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt bei etwa 5° bis 8° Kurbelwinkel (KW) nach dem Oberen Totpunkt (OT) des Kolbens. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden.In a further embodiment of the invention, the changed operating parameter includes the center of combustion and/or the ignition point. The center of combustion is the point in time at which 50% of the fuel mass used has been burned. The center of combustion is around 5° to 8° crank angle (CA) after top dead center (TDC) of the piston. The fuel-air mixture must therefore be ignited before TDC.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst der veränderte Betriebsparameter das Verdichtungsverhältnis während des Verbrennungsprozesses. Die drei zu verwendenden Kraftstoffarten (Benzin, Methanol, Ethanol) weisen eine unterschiedliche Oktanzahl auf. Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades des Otto-Motors wird das Verdichtungsverhältnis derart angepasst, dass das Verdichtungsverhältnis möglichst hoch ist und gleichzeitig Klopfen vermieden wird. insbesondere besteht bei hohem Methanolgehalt eine hohe Klopffestigkeit, wodurch es möglich ist, ein hohes Verdichtungsverhältnis einzustellen, ohne dass ein Klopfen auftritt. Dagegen muss bei geringerem Methanolgehalt ein geringeres Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, um ein Klopfen des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, das Verdichtungsverhältnis so einzustellen, dass der Otto-Motor auch bei wechselnden Kraftstoffarten näher an der Klopfgrenze betrieben werden kann. Dadurch kann der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden. Dazu wird beispielsweise ein Klopfsensor benutzt.In a further embodiment of the invention, the changed operating parameter includes the compression ratio during the combustion process. The three types of fuel to be used (petrol, methanol, ethanol) have different octane ratings. In order to achieve optimal efficiency of the Otto engine, the compression ratio is adjusted in such a way that the compression ratio is as high as possible and at the same time knocking is avoided. in particular, when the methanol content is high, there is high knock resistance, which makes it possible to set a high compression ratio without knocking occurring. On the other hand, with a lower methanol content, a lower compression ratio must be set in order to avoid knocking of the internal combustion engine. According to the method according to the invention, it can be provided that the compression ratio is set in such a way that the Otto engine can be operated closer to the knock limit even with changing types of fuel. As a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be increased. A knock sensor, for example, is used for this purpose.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst. Für eine maximale Effizienz des Verbrennungsprozesses werden mehrere Betriebsparameter abhängig von der Kraftstoffart und der jeweiligen Konzentration geändert. Zu nennen ist die Einspritzmenge des Kraftstoffgemisches, der Verbrennungsschwerpunkt bzw. der Zündzeitpunkt, das Verdichtungsverhältnis und bei Vorhandensein eines Abgas-Turboladers der Ladedruck.In an advantageous development of the invention, several operating parameters of the combustion process are adjusted. For maximum efficiency of the combustion process, several operating parameters are modified depending on the type of fuel and its concentration. These include the injection quantity of the fuel mixture, the center of combustion or the ignition point, the compression ratio and, if an exhaust gas turbocharger is present, the boost pressure.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin mittels der Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotor für den Betrieb mit Benzin und/oder unterschiedlichen Alkanolen gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind ebenfalls in den Unteransprüchen 11 bis 17 dargelegt.The stated object is also achieved by means of the device for controlling the combustion process of a multiple-fuel gasoline engine for operation with gasoline and/or different alkanols according to claim 10. Further advantageous configurations of the invention are also set out in subclaims 11 to 17.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotors weist eine Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses sowie eine Kraftstoffsensoreinheit auf. Die Kraftstoffsensoreinheit ist dafür vorgesehen und dafür geeignet, die den Kraftstoff aufbauenden Kraftstoffarten zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, unterschiedliche Alkoholarten zu unterscheiden.The device according to the invention for controlling the combustion process of a multiple-fuel gasoline engine has a control unit for controlling one or more operating parameters of the combustion process and a fuel sensor unit. The fuel sensor unit is intended and suitable for determining the types of fuel that make up the fuel. According to the invention, the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between different types of alcohol.
Auf Basis der ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine optimiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses ermöglicht das Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten oder einem Gemisch zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten, ohne dass ein Nutzer Einstellungen an der Brennkraftmaschine vornehmen muss. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit wird die Art des bzw. der Kraftstoffe ermittelt und ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine automatisch angepasst.The combustion of the internal combustion engine is optimized on the basis of the determined composition of the fuel mixture. The device according to the invention for controlling the combustion process makes it possible to operate an internal combustion engine with two different types of fuel or a mixture of two different types of fuel without a user having to make settings on the internal combustion engine. The type of fuel or fuels is determined by means of the fuel sensor unit and an operating parameter of the combustion process of the internal combustion engine is automatically adjusted.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, zwischen Benzin und Alkanolen zu unterscheiden. Benzin und die zu verwendbaren Alkanolen weisen unterschiedliche Oktanzahlen auf. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kraftstoffarten wird der Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst.In a development of the invention, the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between gasoline and alkanols. Gasoline and the alkanols to be used have different octane numbers. Due to the different chemical and physical properties of the fuel types, the operating parameters of the combustion process are adjusted.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, zwischen Ethanol und Methanol zu unterscheiden. Beide Alkanole weisen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften, z.B. Dampfdrucke auf. Für einen optimalen Betrieb eines Otto-Motors müssen dessen Betriebsparameter entsprechend eingestellt werden.In a further embodiment of the invention, the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between ethanol and methanol. Both alkanols have different chemical and physical properties, e.g. vapor pressure. For optimal operation of an Otto engine, its operating parameters must be set accordingly.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, Anteile der ermittelten Kraftstoffbestandteile zu ermitteln. Zusätzlich zur Ermittlung der Art des Kraftstoffes wird der jeweilige Anteil bzw. die Konzentration der jeweiligen Kraftstoffart in dem Kraftstoff ermittelt.In an advantageous embodiment of the invention, the fuel sensor unit is provided and suitable for determining proportions of the determined fuel components. In addition to determining Art of the fuel, the respective proportion or the concentration of the respective fuel type in the fuel is determined.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, Anteile von Ethanol und/oder Methanol zu ermitteln. Beide Alkanole weisen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften, z.B. Dampfdrucke auf. Für einen optimalen Betrieb eines Otto-Motors müssen dessen Betriebsparameter entsprechend eingestellt werden.In a development of the invention, the fuel sensor unit is provided and suitable for determining proportions of ethanol and/or methanol. Both alkanols have different chemical and physical properties, e.g. vapor pressure. For optimal operation of an Otto engine, its operating parameters must be set accordingly.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet, die Einspritzmenge an Kraftstoff je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Die Einspritzmenge des Kraftstoffs wird bei einem Otto-Motor auf das Luft-/Kraftstoffverhältnis für Lambda = 1 eingestellt. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff-Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weitergeleitet. Auf Basis der so ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, optimiert.In a further embodiment of the invention, the control unit is provided for controlling one or more operating parameters of the combustion process and is suitable for changing the injected quantity of fuel depending on the determined fuel type and/or fuel composition. In a Otto engine, the injected fuel quantity is set to the air/fuel ratio for Lambda = 1. The current fuel composition before the injection time and the current exhaust gas composition, ie the oxygen partial pressure in the exhaust gas, are determined by means of the fuel sensor unit and forwarded to the control electronics of the internal combustion engine. The combustion of the internal combustion engine is optimized on the basis of the composition of the fuel mixture determined in this way, in particular by setting the most favorable air/fuel ratio.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet, das Verdichtungsverhältnis je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Das Verdichtungsverhältnis gibt ein Verhältnis zwischen einem maximalen Volumen des Brennraums und einem minimalen Volumen des Brennraums während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors an. Das Verdichtungsverhältnis kann durch geeignete so genannte VCR-Steller variabel eingepasst werden. Insbesondere besteht bei hohem Methanolgehalt eine hohe Klopffestigkeit, wodurch es möglich ist, ein hohes Verdichtungsverhältnis einzustellen, ohne dass ein Klopfen auftritt. Dagegen muss bei geringerem Methanolgehalt ein geringeres Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, um ein Klopfen des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Dies wird beispielsweise über einen Klopfsensor eingestellt und automatisch optimiert.In a further embodiment of the invention, the control unit is intended to control one or more parameters of the combustion process and is suitable for changing the compression ratio depending on the determined type of fuel and/or fuel composition. The compression ratio specifies a ratio between a maximum volume of the combustion chamber and a minimum volume of the combustion chamber during a power stroke of the internal combustion engine. The compression ratio can be variably adjusted by suitable so-called VCR controllers. In particular, when the methanol content is high, there is high knock resistance, which makes it possible to set a high compression ratio without knocking occurring. On the other hand, with a lower methanol content, a lower compression ratio must be set in order to avoid knocking of the internal combustion engine. This is set, for example, via a knock sensor and automatically optimized.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet, den Verbrennungsschwerpunkt je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Der Verbrennungsschwerpunkt ist der Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt bei etwa 5° bis 8° KW nach dem Oberen Totpunkt (OT) des Kolbens. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden.In a further embodiment of the invention, the control unit is provided for controlling one or more parameters of the combustion process and is suitable for changing the center of combustion depending on the determined fuel type and/or fuel composition. The center of combustion is the point in time at which 50% of the fuel mass used has been burned. The center of combustion is around 5° to 8° CA after top dead center (TDC) of the piston. The fuel-air mixture must therefore be ignited before TDC.
Die genannte Aufgabe wird außerdem mittels des erfindungsgemäßen Motoraggregats gemäß Anspruch 19 gelöst. Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung ist in Unteranspruch 20 dargelegt.The stated object is also achieved by means of the motor assembly according to claim 19 according to the invention. A further advantageous embodiment of the invention is set out in
Das erfindungsgemäße Motoraggregat weist einen Verbrennungsmotor auf, der als Kolbenmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben sowie einer Brennkammer ausgestaltet ist. Das Motoraggregat weist außerdem einen Kraftstoffinjektor auf, über den ein Kraftstoffgemisch in die Brennkammer einspritzbar ist. Der Kraftstoffinjektor kann optional als Saugrohreinheit ausgeführt sein. Zusätzlich weist das Motoraggregat eine Zündvorrichtung zur Zündung des Kraftstoffgemisches in der Brennkammer auf. Das Motoraggregat weist ebenfalls eine Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses im Verbrennungsmotor sowie eine Kraftstoffsensoreinheit und optional einen Klopfsensor auf, die dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, die den Kraftstoff aufbauenden Kraftstoffarten zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, unterschiedliche Alkoholarten zu unterscheiden.The engine unit according to the invention has an internal combustion engine which is designed as a piston engine with reciprocating pistons and a combustion chamber. The motor assembly also has a fuel injector, via which a fuel mixture can be injected into the combustion chamber. The fuel injector can optionally be designed as an intake manifold unit. In addition, the motor unit has an ignition device for igniting the fuel mixture in the combustion chamber. The engine unit also has a control unit for controlling one or more parameters of the combustion process in the internal combustion engine and a fuel sensor unit and optionally a knock sensor, which is provided and suitable for determining the types of fuel that make up the fuel. According to the invention, the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between different types of alcohol.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten Analyse der Kraftstoffzusammensetzung des zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffgemisches, Detektion einer zum vorhergehenden Betrieb veränderten Kraftstoffzusammensetzung des Kraftstoffgemisches, Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Vergleich zum Verdichtungsverhältnis beim vorhergehenden Betrieb. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung eingestellt werden können und so die Leistung verbessert und der Verbrauch gesenkt werden kann.The object of the invention is also achieved by a method for changing the compression ratio of a combustion process in an internal combustion engine with the method steps analysis of the fuel composition of the fuel mixture used to operate the internal combustion engine, detection of a changed fuel composition of the fuel mixture compared to previous operation, change in the compression ratio compared to the compression ratio during previous operation. This has the advantage that the operating parameters of the internal combustion engine can be optimally adjusted to the fuel composition and the performance can thus be improved and consumption reduced.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sowohl die Bestandteile des Kraftstoffes bestimmt als auch deren Anteil am Kraftstoffgemisch. Während bei den bekannten Verfahren lediglich der Alkoholgehalt des Kraftstoffes bestimmt wird, ergibt sich hier der Vorteil, dass das Verdichtungsverhältnis auch in Abhängigkeit der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Alkoholart angepasst werden kann. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.In a further embodiment according to the invention, both the components of the fuel and their proportion in the fuel mixture are determined. While only the alcohol content of the fuel is determined in the known methods, the advantage here is that the compression ratio can also be adjusted as a function of the type of alcohol contained in the fuel mixture. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden neben dem Verdichtungsverhältnis auch die Einspritzmenge bei Lambda = 1 und/oder die Lage des Verbrennungsschwerpunktes verändert. Dies hat den Vorteil einer weiteren Leistungssteigerung und Absenkung des Verbrauchs.In a further embodiment of the invention, in addition to the compression ratio, the injection quantity at lambda=1 and/or the position of the center of combustion are also changed. This has the advantage of further increasing performance and reducing consumption.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verdichtungsverhältnis durch die Veränderung des Ladedrucks eines Abgas-Turboladers oder VCR-Systeme angepasst.In another embodiment, the compression ratio is adjusted by changing the charging pressure of an exhaust gas turbocharger or VCR system.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung der Einspritzmenge bei Lambda = 1 eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten Analyse der Kraftstoffzusammensetzung des zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffgemisches, Detektion einer zum vorhergehenden Betrieb veränderten Kraftstoffzusammensetzung des Kraftstoffgemisches, Veränderung der Einspritzmenge bei Lambda = 1 im Vergleich zur Einspritzmenge bei Lambda = 1 beim vorhergehenden Betrieb. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung eingestellt werden können und so die Leistung verbessert und der Verbrauch gesenkt werden kann.The object of the invention is also achieved by a method for changing the injection quantity at lambda=1 of a combustion process in an internal combustion engine with the method steps analysis of the fuel composition of the fuel mixture used to operate the internal combustion engine, detection of a fuel composition of the fuel mixture that has changed compared to previous operation, changing the injection quantity Lambda = 1 compared to the injection quantity at Lambda = 1 in the previous operation. This has the advantage that the operating parameters of the internal combustion engine can be optimally adjusted to the fuel composition and the performance can thus be improved and consumption reduced.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sowohl die Bestandteile des Kraftstoffes bestimmt als auch deren Anteil am Kraftstoffgemisch. Während bei den bekannten Verfahren lediglich der Alkoholgehalt des Kraftstoffes bestimmt wird, ergibt sich hier der Vorteil, dass die Einspritzmenge bei Lambda = 1 auch in Abhängigkeit der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Alkoholart angepasst werden kann. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.In a further embodiment according to the invention, both the components of the fuel and their proportion in the fuel mixture are determined. While only the alcohol content of the fuel is determined in the known methods, the advantage here is that the injection quantity at lambda=1 can also be adjusted as a function of the type of alcohol contained in the fuel mixture. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden neben der Einspritzmenge bei Lambda = 1 auch das Verdichtungsverhältnis und/oder die Lage des Verbrennungsschwerpunktes verändert. Dies hat den Vorteil einer weiteren Leistungssteigerung und Absenkung des Verbrauchs.In a further embodiment of the invention, in addition to the injection quantity at lambda=1, the compression ratio and/or the position of the center of combustion are also changed. This has the advantage of further increasing performance and reducing consumption.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung der Lage des Verbrennungsschwerpunktes eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten Analyse der Kraftstoffzusammensetzung des zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffgemisches, Detektion einer zum vorhergehenden Betrieb veränderten Kraftstoffzusammensetzung des Kraftstoffgemisches, Veränderung der Lage des Verbrennungsschwerpunktes im Vergleich zur Lage des Verbrennungsschwerpunktes beim vorhergehenden Betrieb. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung eingestellt werden können und so die Leistung verbessert und der Verbrauch gesenkt werden kann.The object of the invention is also achieved by a method for changing the position of the center of combustion of a combustion process in an internal combustion engine with the method steps analysis of the fuel composition of the fuel mixture used to operate the internal combustion engine, detection of a changed fuel composition of the fuel mixture compared to previous operation, changing the position of the center of combustion in the Comparison to the position of the center of combustion in the previous operation. This has the advantage that the operating parameters of the internal combustion engine can be optimally adjusted to the fuel composition and the performance can thus be improved and consumption reduced.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sowohl die Bestandteile des Kraftstoffes bestimmt als auch deren Anteil am Kraftstoffgemisch. Während bei den bekannten Verfahren lediglich der Alkoholgehalt des Kraftstoffes bestimmt wird, ergibt sich hier der Vorteil, dass die Lage des Verbrennungsschwerpunktes auch in Abhängigkeit der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Alkoholart angepasst werden kann. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.In a further embodiment according to the invention, both the components of the fuel and their proportion in the fuel mixture are determined. While only the alcohol content of the fuel is determined in the known methods, the advantage here is that the position of the center of combustion can also be adjusted as a function of the type of alcohol contained in the fuel mixture. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden neben der Lage des Verbrennungsschwerpunktes auch das Verdichtungsverhältnis und/oder die Einspritzmenge bei Lambda = 1 verändert. hier Lambda=1,In a further embodiment of the invention, in addition to the position of the center of combustion, the compression ratio and/or the injection quantity are changed at lambda=1. here lambda=1,
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Klopfsensor verbaut. Die Auswertung dessen Daten erlaubt die punktgenaue Einstellung des Verbrennungsschwerpunktes an der Klopfgrenze. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.In a further embodiment of the invention, a knock sensor is installed. The evaluation of its data allows the center of combustion to be set with pinpoint accuracy at the knock limit. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist es, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche bei hoher Effizienz mit CO2-neutralen, nicht-schmierenden Kraftstoffen arbeitet, ohne nennenswerte Stickoxide zu emittieren. Die Verbrennungskraftmaschine wird in einem generatorähnlichen Betrieb zum Zweck der dezentralen Stromerzeugung innerhalb einer neuartigen, netzautarken Schnellladestation zum Einsatz kommen, welche Elektrofahrzeuge standortunabhängig mit einer Leistung von bis zu 250 kW oder mehr laden kann. Dieses innovative Produkt trägt maßgeblich dazu bei, die Nachfrage nach bedarfsgerechten Ladelösungen an jedem Standort zu decken und so die Elektromobilität flächendeckend zu ermöglichen.A further solution to the problem of the invention is to provide an internal combustion engine which operates with high efficiency using CO 2 -neutral, non-lubricating fuels without emitting any significant nitrogen oxides. The internal combustion engine will be used in a generator-like operation for the purpose of decentralized power generation within a new type of self-sufficient fast charging station, which can charge electric vehicles regardless of location with an output of up to 250 kW or more. This innovative product makes a significant contribution to covering the demand for needs-based charging solutions at every location and thus enabling electromobility across the board.
Um die CO2-Neutralität des Verbrennungsverfahrens sicherzustellen, werden als Energieträger ausschließlich Bio-Ethanol und Bio-Methanol eingesetzt, welche nur so viel CO2 freisetzen, wie sie zuvor gebunden haben. Da diese im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel keine Schmierfähigkeit besitzen, können keine am Markt verfügbaren Motoren verwendet werden. Stattdessen müssen hohe Anforderungen an die Reibpaarungen von Zylindern und Kolben sowie der Ventile in den Zylinderköpfen erfüllt werden sowie die Abgasnachbehandlung optimiert werden. Es können auch Gemische von Kraftstoffen mit Anteilen von Benzin, Ethanol und/oder Methanol zum Einsatz kommen.In order to ensure the CO 2 neutrality of the combustion process, only bio-ethanol and bio-methanol are used as energy sources, which only release as much CO 2 as they previously bound. Since these have no lubricity compared to conventional fuels such as petrol or diesel, no engines available on the market can be used. Instead, high demands on the friction pairings of cylinders and pistons as well as the valves in the cylinder heads have to be met and the exhaust aftertreatment optimized. Mixtures of fuels containing petrol, ethanol and/or methanol can also be used.
Um zusätzlich die Emission von Stickoxiden auf einem absoluten Minimum zu halten, ist der Einsatz eines ottomotorischen Verbrennungsverfahrens erforderlich, welches durch ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bei dieseltypischen Leistungsdaten (Drehmoment, Kraftstoffverbrauch) die rückstandslose Verbrennung der Energieträger ermöglicht. Eine Partikelemission tritt wegen des ottomotorischen Verfahrens mit Saugrohreinspritzung nicht in messbarem Maße auf. Dabei sorgt diese für eine entsprechende Mischstrecke bei der Gasbildung, welche die Partikelemission verhindert. Bei der stöchiometrischen Verbrennung wird ebenso die Partikelbildung durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC-Emission) verhindert. Desweiteren neigen extrem kurzkettige Alkanole wie Methanol und Ethanol nicht zur Partikelbildung wie langkettige Kohlenwasserstoff GemischeIn order to also keep the emission of nitrogen oxides to an absolute minimum, the use of a gasoline engine combustion process is required, which enables the residue-free combustion of the energy sources through a stoichiometric combustion air ratio with performance data typical of diesel (torque, fuel consumption). Particulate emissions do not occur to a measurable extent because of the petrol engine process with intake manifold injection. This ensures a corresponding mixing section during gas formation, which prevents particle emissions. In the case of stoichiometric combustion, the formation of particles due to unburned hydrocarbons (HC emissions) is also prevented. Furthermore, extremely short-chain alkanols such as methanol and ethanol do not tend to form particles like long-chain hydrocarbon mixtures
Die Verwendung einer ottomotorischen Verbrennungskraftmaschine in der stationären Stromerzeugung mit Leistungen von bis zu 250 kW oder mehr stellt eine Neuheit dar. Sonstige Stromerzeuger mit vergleichbarer Leistung basieren ausschließlich auf Dieselmotoren und emittieren somit in erheblichem Maße Stickoxide, die sich nur mittels aufwändiger Abgasnachbehandlung (Harnstoffnacheinspritzung) teilweise beseitigen lassen.The use of an Otto engine internal combustion engine in stationary power generation with an output of up to 250 kW or more is a novelty. Other power generators with comparable output are based exclusively on diesel engines and therefore emit considerable amounts of nitrogen oxides, which can only be partially eliminated by means of complex exhaust gas aftertreatment (urea post-injection). get eliminated.
NH3 Bildung kann durch unterstöchiometrische Verbrennung von Ethanol entstehen. Daher ist dieses Aggregat mit 2 Lambdasonden (vor und nach Katalysator) zur Kontrolle möglichen NH3 Schlupfes bestückt. Zur wirksamen Oxidierung von NH3 wird überdies ein nachgeschalteter Schlupf-Katalysator mit hoher Platinbeschichtung verbaut.NH3 formation can result from sub-stoichiometric combustion of ethanol. This unit is therefore equipped with 2 lambda probes (before and after the catalytic converter) to check for possible NH3 slip. In addition, a downstream slip catalytic converter with a high platinum coating is installed for the effective oxidation of NH3.
Als technischer Zielparameter ist eine Effizienz des Verbrennungsvorgangs von 42% erreichbar. Diese übertrifft die Effizienz von ottomotorischen (20 - 28%) und dieseltypischen Verbrennungen (33%) deutlich. Zusätzlich wird darauf abgezielt, die Emissionsgrenzwerte der NOx-Masse im Abgasstrom von 0,4 g/kWh um mindestens 30% sowie die Partikelmasse von 15 mg/kWh und Partikelanzahl von 1012/kWh um jeweils 50% zu unterschreiten (Stufe 5 Motorenklasse NRE-c-6, EU-Verordnung 2016/1628).As a technical target parameter, an efficiency of the combustion process of 42% can be achieved. This clearly surpasses the efficiency of petrol engine (20 - 28%) and typical diesel combustion (33%). In addition, the aim is to undercut the emission limit values of the NO x mass in the exhaust gas flow of 0.4 g/kWh by at least 30% and the particle mass of 15 mg/kWh and particle number of 10 12 /kWh by 50% each (stage 5 engine class NRE-c-6, EU Regulation 2016/1628).
Der innovative Lösungsansatz besteht darin, einen für Lastkraftwagen konstruierten DieselMotor zum Ottomotor umzubauen. Nur mit dem ottomotorischen Brennverfahren ist eine stöchiometrische Verbrennung zu erreichen. Dies ist die Voraussetzung für den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators, welcher für die Reduzierung der Emissionen nötig ist. Auf diese Weise lassen sich bei hohem Wirkungsgrad die Stickoxid-Emissionen erheblich reduzieren.The innovative approach consists of converting a diesel engine designed for trucks into a petrol engine. Stoichiometric combustion can only be achieved with the Otto engine combustion process. This is the prerequisite for using a three-way catalytic converter, which is necessary to reduce emissions. In this way, nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with high efficiency.
Bei unterstöchiometrischer Verbrennung von CH3OH entsteht NH3. Um dies zur Oxidation zu führen und damit Risiken durch die Emission von Ammoniak zu minimieren, wird zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator ein Sperrkatalysator verwendet. Durch die Kombination einer hohen Leistung von bis zu 250 kW bei CO2-neutraler Verbrennung von erneuerbaren Energieträgern ohne nennenswerte Stickoxidemissionen entsteht eine erhebliche technologische Komplexität.Substoichiometric combustion of CH 3 OH produces NH 3 . In order to cause this to oxidize and thus minimize the risk of ammonia emissions, a blocking catalytic converter is used in addition to the three-way catalytic converter. The combination of a high output of up to 250 kW with CO 2 -neutral combustion of renewable energy sources without significant nitrogen oxide emissions results in considerable technological complexity.
Um den geplanten Dieselmotor zu einem Ottomotor umzuwandeln, werden Zündkerzen und eine neue Einspritzung integriert. Es erfolgt eine genaue Berechnung und Auslegung der Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr, speziell die Abstimmung der Düsen, um den gewünschten Betriebspunkt zu erreichen. Die Eispritzdüsen sind Eigenkonstruktionen, welche für große Durchlässe optimiert und zur Vermeidung von Dampfbildung im Kraftstoff aufwärtsgerichtet eingebaut werden. Beim Öffnen entweicht als erstes der Dampf. Daher treten keine Zündaussetzer auf. Um die möglichst rückstandslose Verbrennung bei einem Verbrennungsluftverhältnis von Lambda gleich eins zu ermöglichen, ist eine hohe Verdichtung des Faktors 12 bis 18 nötig. Dazu werden flache Kolbenmulden verwendet. Zusätzlich ist zur Leistungsregelung des Motors eine Drosselklappe verbaut. Um die Neuauslegung der Nockenwellen zu umgehen, werden die Diesel-Steuerzeiten verwendet.In order to convert the planned diesel engine to an Otto engine, spark plugs and a new injection system are integrated. The fuel injection into the intake manifold is precisely calculated and designed, specifically the adjustment of the nozzles in order to achieve the desired operating point. The ice spray nozzles are our own designs, which are optimized for large passages and to avoid steam formation in the fuel should be installed facing upwards. The first thing that escapes when you open it is the steam. Therefore, no misfires occur. In order to enable combustion with as few residues as possible with a combustion air ratio of lambda equal to one, a high compression factor of 12 to 18 is necessary. Flat piston bowls are used for this. A throttle valve is also installed to regulate the power of the engine. In order to avoid the redesign of the camshafts, the diesel control times are used.
Der Motor wird bei einer dieseltypischen Drehzahl von 1300 U/min bis 1800 U/min betrieben, um die passende Generatordrehzahl zu gewährleisten. Bei ottomotorischen Verbrennungskraftmaschinen liegt bei dieser Drehzahl allerdings keine ausreichende Leistung für die Schnellladung von Elektrofahrzeugen vor. Aus diesem Grund ist beispielsweise eine Aufladung des Motors mithilfe eines Turboladers auf zwischen 1,8 und 2 bar Überdruck erforderlich, was ein Drehmoment von 1750 Nm und eine Leistung von 230 kW ermöglicht. Unter den gegebenen Randbedingungen (230 kW Leistung, 1500 U/min Drehzahl, 8,8 I Hubraum) ergibt sich ein zu erwartender Mitteldruck im Zylinderinnenraum von ca. 20,9 bar bei Volllast. Herkömmliche PKW-Motoren können diesem hohen Druck nicht standhalten, weshalb an dieser Stelle auf einen Motor für Lastkraftwagen zurückgegriffen wird. Der Motor erreicht bei dieseltypischer Drehzahl und dieseltypischem Mitteldruck die Leistung eines Ottomotors und emittiert entsprechend unbedenkliches Abgas.
Mit Mitteldruck: Pme = Pe / (Vh * n * i) und mit Pme = Mitteldruck in bar, Pe = Leistung in kW, Vh = Hubraum, n = Drehzahl, i = Kenngröße Brennverfahren.With mean pressure: P me = P e / (V h * n * i) and with P me = mean pressure in bar, P e = power in kW, V h = cubic capacity, n = speed, i = combustion process parameter.
Aufgrund der mangelnden Schmierfähigkeit von CO2-neutralen Bio-Energieträgern wie Bio-Ethanol und Bio-Methanol sind hohe Anforderungen an die Reibpaarungen der beweglichen Komponenten des Motors zu stellen. Die Kolbenringe und die anliegende Zylinderwand sowie die Ventilsitze und Ventilführungen müssen perfekt aufeinander abgestimmt werden, da der Motor ansonsten nach kürzester Zeit zerstört würde. Die genaue Auslegung und gegenseitige Abstimmung der Reibpaarungen erzeugt demnach ein erhebliches technisches Risiko, welches durch die vorherrschenden hohen Mitteldrücke in den Zylindern weiter erhöht wird. Da bisher keine Anhaltspunkte für die Auslegung der Reibpaarungen bestehen, sind zur Findung dieser Untersuchungen im Bereich der Werkstoffkunde anzustellen. Bei der gesamten Auslegung des Motors ist weiterhin zu beachten, dass statt herkömmlicher Dichtungen spezielle, für den verwendeten Kraftstoff geeignete Dichtungen zu verwenden sind. Diese müssen außerdem den drastisch erhöhten Brennraumtemperaturen von 850°C statt 450°C standhalten können.Due to the lack of lubricity of CO 2 -neutral bio-energy carriers such as bio-ethanol and bio-methanol, high demands are placed on the friction pairings of the moving components of the engine. The piston rings and the adjacent cylinder wall as well as the valve seats and valve guides must be perfectly matched, otherwise the engine would be destroyed after a very short time. The precise design and mutual coordination of the friction pairings therefore creates a significant technical risk, which is further increased by the prevailing high mean pressures in the cylinders. Since there are no indications for the design of the friction pairings, these investigations are to be carried out in the field of materials science. When designing the engine as a whole, it should also be noted that special seals that are suitable for the fuel used are to be used instead of conventional seals. These must also be able to withstand the drastically increased combustion chamber temperatures of 850°C instead of 450°C.
Der Motor kommt vorerst als Teilsystem in unserer netzautarken Schnellladestation zum Einsatz. Der Motor wird ebenso in einem Stromerzeugungsaggregat eingesetzt. Da bisher keine CO2-neutralen Stromerzeuger dieser Leistungsklasse ohne Emission von Partikeln oder NOx bestehen, ist auch dies eine Produktneuheit.The motor will initially be used as a subsystem in our self-sufficient fast charging station. The engine is also used in a power generator. As there are currently no CO 2 -neutral power generators in this performance class that do not emit particles or NO x , this is also a new product.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Motoraggregats sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the method according to the invention for controlling a combustion process in an internal combustion engine and of the engine unit according to the invention are shown in a schematically simplified manner in the drawings and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen:
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1 : Motoraggregat
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1 : engine unit
Das Öffnen und Schließen des Einlassventils 18 und des Auslassventils 20 ist durch eine zugehörige Einlassnockenerhebung 22 und Auslassnockenerhebung 24 gesteuert. Die Einlassnockenerhebung 22 und die Auslassnockenerhebung 24 rotieren zusammen mit einer Nockenwelle 26. Die Nockenwelle 26 weist eine Erhebung 38 auf, die eine mechanische Kraftstoffpumpe 30 antreibt. Eine Nockenwellenriemenscheibe 32 treibt die Nockenwelle 26 an.The opening and closing of
Der sich hin- und herbewegende Kolben 16 treibt über das Pleuel 28 eine Kurbelwelle 40 an. Ein Kurbelwellenzahnrad 42 rotiert mit der Kurbelwelle 40. Das Kurbelwellenzahnrad 42 treibt die Nockenwellenriemenscheibe 32 über einen Riemen oder eine Kette 44 an. Ein Kurbelwellenpositions-Targetring 50 ist ebenfalls an der Kurbelwelle 40 angebracht.The
Zum Betrieb des Motoraggregats 10 wird entweder Benzin, Methanol, Ethanol oder ein Gemisch von Benzin, Methanol und/oder Ethanol eingesetzt. Der Kraftstoff wird mit Hilfe der Kraftstoffpumpe 30 aus dem Tank 70 über eine Kraftstoffleitung 72 zum Kraftstoffinjektor 62 gepumpt. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der genannten Kraftstoffarten sind unterschiedliche Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses des Motoraggregats 10 erforderlich.Either gasoline, methanol, ethanol or a mixture of gasoline, methanol and/or ethanol is used to operate the engine unit 10 . The fuel is pumped from the
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsprozesses des Motoraggregats 10 weist zwei Verfahrensschritte auf: im ersten Verfahrensschritt wird mit der Kraftstoffsensoreinheit 68 die in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten (Benzin, Ethanol, Methanol) ermittelt. Außerdem wird die Konzentration der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt. im zweiten Verfahrensschritt werden ein oder mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst.The method according to the invention for controlling the combustion process of engine unit 10 has two method steps: in the first method step, the types of fuel (petrol, ethanol, methanol) contained in the fuel are determined using
Die Steuereinheit 12 erzeugt Ausgangssignale, die eine elektrische Kraftstoffpumpe 60 und einen Kraftstoffinjektor 62 derart steuern, dass abhängig von den im Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten die Einspritzmenge an Kraftstoff angepasst wird. Die Steuereinheit 12 empfängt ebenfalls ein oder mehrere Signale von einem Lambdasensor 66. Der Lambdasensor 66 gibt den Sauerstoffgehalt des Motorabgases an. Das Motorsteuermodul 12 hält das Luftverhältnis in der Nähe von λ = 1, also im Bereich des stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses. Dabei können alle Brennstoff-Moleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Kraftstoff übrigbleibt. Der effizienteste Betrieb stellt sich bei leicht magerem Gemisch von ca. λ = 1,05 ein. Die höchste Motorenleistung wird bei fettem Gemisch von ca. λ = 0,85 erreicht.The
Zur Leistungssteigerung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades weist das Motoraggregat 10 einen Abgas-Turbolader auf. Der Turbolader weist auf der Auslassseite 82 die Abgasturbine auf, die durch die Energie der ausgestoßenen Abgase in Rotation versetzt wird. Über eine starre Welle ist die Abgasturbine 82 mit dem Verdichter auf der Einlassseite 84 verbunden, der die Zuluft des Motors verdichtet. Der Abgas-Turbolader weist eine variable Turbinengeometrie auf, realisiert z.B. durch verstellbare Leitschaufeln der Abgasturbine 82. Die Steuereinheit 12 steuert die verstellbaren Luftschaufeln der Abgasturbine 82 derart, dass der Ladedruck je nach Zusammensetzung des Kraftstoffes angepasst wird.In order to increase the output and to increase the efficiency, the engine unit 10 has an exhaust gas turbocharger. On the
Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 40 und dem Kolben 16 in dem Zylinder 14 ist mit einem VCR-Steller 80 (VCR: Variable Compression Ratio) versehen, um ein Verdichtungsverhältnis in dem Zylinder 14 variabel einzustellen. im Betrieb wird das Verdichtungsverhältnis mittels der Steuereinheit 12 im Wesentlichen so eingestellt, dass es größtmöglich ist, jedoch ein Klopfen des Motoraggregats 10 vermieden wird. Alternativ kann das Verdichtungsverhältnis auch über eine Veränderung des Ladedrucks des Abgas-Turboladers angepasst werden.The coupling between the crankshaft 40 and the
Ein Kurbelwellenpositionssensor 64 erzeugt ein Kurbelwellenpositionssignal auf der Basis einer Position des Kurbelwellenpositions-Targetringes 50. Das Kurbelpositionssignal repräsentiert Kurbelwinkelgrade in Bezug auf einen vorbestimmten Referenzpunkt. Der Kurbelwellenpositionssensor 64 leitet das Signal an die Steuereinheit 12 weiter. Die Steuereinheit 12 steuert die Zündkerze 36 derart, dass der Verbrennungsschwerpunkt je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung verändert wird. Der Verbrennungsschwerpunkt ist der Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt bei etwa 5° bis 8° KW nach dem Oberen Totpunkt (OT) des Kolbens 16. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden.A
Beispielhaft sind für neun unterschiedliche Zusammensetzungen des im Motoraggregat 10 verwendeten Kraftstoffs sowie die jeweiligen Betriebsparameter aufgeführt (s. Tabelle 1): Tabelle 1: Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses für Kraftstoffe mit unterschiedlicher Zusammensetzung
Von den zur Verwendung kommenden Kraftstoffarten (Benzin, Methanol, Ethanol) weist 100%iges Benzin (Benzin100) den höchsten Kohlenstoff-Gehalt pro Volumeneinheit auf. Das Einspritzverhältnis Kraftstoff: Luft ist daher mit 1 : 14,7 für Lambda = 1 am geringsten. Der Zündzeitpunkt liegt bei 20° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,5 bis 2 bar eingestellt.Of the types of fuel used (gasoline, methanol, ethanol), 100% gasoline (Gasoline100) has the highest carbon content per unit volume. The fuel:air injection ratio is therefore the lowest at 1:14.7 for lambda=1. The ignition point is 20° before TDC, the compression ratio is 11:1. The boost pressure is set at 1.5 to 2 bar.
Im Gegensatz dazu weist 100%iges Methanol (Methanol100) den geringsten Kohlenstoff-Gehalt pro Volumeneinheit auf, gleichzeitig ist dessen Klopffestigkeit am höchsten. Das Einspritzverhältnis Kraftstoff: Luft beträgt daher 1 : 6,47 für Lambda = 1, die Verdichtung 18 : 1. Der Ladedruck kann bis zu 3 bar betragen, der Zündzeitpunkt liegt bei 10° vor OT.In contrast, 100% methanol (Methanol100) has the lowest carbon content per unit volume, while at the same time having the highest knock resistance. The fuel:air injection ratio is therefore 1:6.47 for Lambda = 1, the compression is 18:1. The boost pressure can be up to 3 bar, the ignition timing is 10° before TDC.
100%iges Ethanol (Ethanol100) liegt im Kohlenstoff-Gehalt pro Volumeneinheit zwischen Benzin 100 und Methanol100. Das Einspritzverhältnis Kraftstoff: Luft beträgt daher 1 : 9 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 5° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,5 bis 2 bar eingestellt.100% ethanol (Ethanol100) has a carbon content per unit volume between gasoline 100 and methanol100. The fuel:air injection ratio is therefore 1:9 for Lambda = 1. The ignition timing is 5° before TDC, the compression ratio is 11:1. The boost pressure is set at 1.5 to 2 bar.
Bei Verwendung eines Gemisches von 50% Benzin und 50% Methanol (Benzin50/Methanol50) beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 10,585 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 15° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 14,5 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,75 bis 2,5 bar eingestellt.When using a mixture of 50% gasoline and 50% methanol (Benzin50/Methanol50), the injection ratio fuel : air is 1 : 10.585 for Lambda = 1. The ignition point is 15° before TDC, the compression ratio is 14.5 : 1. The Boost pressure is set at 1.75 to 2.5 bar.
Bei Verwendung eines Gemisches von 50% Benzin und 50% Ethanol (Benzin50/Ethanol50) beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff: Luft 1 : 11,85 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 10,25° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,5 bis 2 bar eingestellt.When using a mixture of 50% petrol and 50% ethanol (petrol50/ethanol50), the fuel:air injection ratio is 1:11.85 for Lambda = 1. The ignition timing is 10.25° before TDC, the compression ratio is 11:1 The boost pressure is set at 1.5 to 2 bar.
Bei Verwendung eines Gemisches von 50% Benzin, 25% Methanol und 25% Ethanol (Benzin50/Ethanol25/Methanol25) beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff: Luft 1 : 11,218 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 13,75° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 12,75 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,6 bis 2,25 bar eingestellt.When using a mixture of 50% petrol, 25% methanol and 25% ethanol (petrol50/ethanol25/methanol25), the fuel:air injection ratio is 1 : 11.218 for lambda = 1. The ignition point is 13.75° before TDC, the compression ratio at 12.75 : 1. The boost pressure is set at 1.6 to 2.25 bar.
Bei Verwendung des handelsüblichen Kraftstoffs E5 mit 95% Benzin und 5% Ethanol beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff: Luft 1 : 14,415 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 19,25° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,5 bis 2 bar eingestellt.When using the commercially available E5 fuel with 95% petrol and 5% ethanol, the fuel:air injection ratio is 1:14.415 for Lambda = 1. The ignition point is 19.25° before TDC, the compression ratio is 11:1 1.5 to 2 bar set.
Bei Verwendung des ebenfalls handelsüblichen Kraftstoffs E10 mit 90% Benzin und 10% Ethanol beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 14,13 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 18,5° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1,5 bis 2 bar eingestellt.When using the fuel E10, which is also commercially available, with 90% petrol and 10% ethanol, the injection ratio fuel : air is 1 : 14.13 for lambda = 1. The ignition point is 18.5° before TDC, the compression ratio is 11 : 1. The Boost pressure is set at 1.5 to 2 bar.
Bei Verwendung des ebenfalls handelsüblichen Kraftstoffs E85 mit 15% Benzin und 85% Ethanol beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 9,855 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 7,25° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei ebenfalls 1,5 bis 2 bar eingestellt.When using the fuel E85, which is also commercially available, with 15% petrol and 85% ethanol, the injection ratio fuel : air is 1 : 9.855 for lambda = 1. The ignition point is 7.25° before TDC, the compression ratio is 11 : 1. The charge pressure is increased also set at 1.5 to 2 bar.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Motoraggregatengine unit
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1414
- Zylindercylinder
- 1616
- KolbenPistons
- 16'16'
- Kolbenkopf/Oberseite des KolbensPiston Head/Top of Piston
- 1818
- Einlassventilintake valve
- 2020
- Auslassventiloutlet valve
- 2222
- Einlassnockeintake cam
- 2424
- Auslassnockeexhaust cam
- 2626
- Nockenwellecamshaft
- 2828
- Pleuelconnecting rod
- 3030
- Kraftstoffpumpefuel pump
- 3232
- Nockenwellenriemenscheibecamshaft pulley
- 3434
- Brennkammercombustion chamber
- 3636
- Zündvorrichtungignition device
- 3838
- Erhebung der Nockenwelle zum Antrieb der KraftstoffpumpeElevation of the camshaft to drive the fuel pump
- 4040
- Kurbelwellecrankshaft
- 4242
- Kurbelwellenzahnradcrankshaft gear
- 4444
- Riemen/Kettestrap/chain
- 5050
- Kurbelwellenpositions-TargetringCrankshaft position target ring
- 6060
- Kraftstoffpumpefuel pump
- 6262
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 6464
- Kurbelwellenpositionssensorcrankshaft position sensor
- 6666
- Lambdasondelambda probe
- 6868
- Kraftstoffsensoreinheitfuel sensor unit
- 7070
- Kraftstofftankfuel tank
- 7272
- Kraftstoffleitungfuel line
- 8080
- VCR-StellerVCR controller
- 8282
- Abgas-Turbolader AuslassseiteExhaust gas turbocharger outlet side
- 8484
- Abgas-Turbolader EinlassseiteExhaust gas turbocharger inlet side
- 8686
- Lufteinlassair intake
- 8888
- Abgasauslassexhaust outlet
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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