DE102021200463A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brennraum (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:- Einbringen eines ersten, weniger zündwilligen Brennstoffs und Einbringen eines zweiten, zündwilligeren Brennstoffs als Pilotbrennstoff in den mindestens einen Brennraum (3),- wobei eine zeitliche Abfolge, mit der der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff in den mindestens einen Brennraum (3) eingebracht werden, in Abhängigkeit eines Lastpunkts der Brennkraftmaschine (1) und/oder in Abhängigkeit von mindestens einer Anforderung variiert wird, wobei die mindestens eine Anforderung ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem niedrigem Brennstoffverbrauch, geringen Kohlenwasserstoffemissionen, geringen Stickoxidemissionen, geringen Partikelemissionen, und einer geringen Schwärzungszahl.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
  • Bei Hochdruck-Zweistoff-Brennverfahren (High-Pressure-Dual-Fuel - HPDF) wird ein erster, weniger zündwilliger Brennstoff unter hohem Druck mittels eines Injektors in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht. Um den ersten, weniger zündwilligen Brennstoff zu entflammen, wird - mittels desselben Injektors oder mittels eines weiteren Injektors - ein zweiter, zündwilligerer Brennstoff als Pilotbrennstoff in den Brennraum eingebracht. Der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff können dabei über weite Bereiche zeitlich unabhängig voneinander in den Brennraum eingebracht werden. Problematisch ist es dabei, die Brennkraftmaschine stabil und mit bedarfsgerecht angepassten, insbesondere je nach Betriebsort und Anwendungsfall der Brennkraftmaschine regelkonformen Emissionen betreiben zu können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher die genannten Nachteile vermindert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei die Brennkraftmaschine, die im Rahmen des Verfahrens betrieben wird, mindestens einen Brennraum aufweist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Es wird ein erster, weniger zündwilliger Brennstoff in den Brennraum - insbesondere unter Hochdruck - eingebracht. Es wird ein zweiter, zündwilligerer Brennstoff als Pilotbrennstoff in den mindestens einen Brennraum eingebracht, insbesondere um den ersten Brennstoff zu entflammen. Eine zeitliche Abfolge, mit der der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff in den mindestens einen Brennraum eingebracht werden, wird in Abhängigkeit von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine gewählt, insbesondere variiert. Alternativ oder zusätzlich wird die zeitliche Abfolge in Abhängigkeit von mindestens einer Anforderung gewählt, insbesondere variiert, wobei die mindestens eine Anforderung ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem niedrigen Brennstoffverbrauch, geringen Kohlenwasserstoffemissionen, geringen Stickoxidemissionen, geringen Partikelemissionen, und einer geringen Schwärzungszahl. Es ist so in definierter und einfacher Weise möglich, die Brennkraftmaschine stabil und insbesondere mit Blick auf ein Emissionsniveau regelkonform zu betreiben, vorzugsweise geltende Emissionsgrenzwerte deutlich zu unterschreiten. Dabei wird insbesondere ein sich in dem Brennraum vollziehender Brennverlauf maßgeblich durch die zeitliche Abfolge bestimmt, mit welcher der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff in den Brennraum eingebracht werden.
  • Wesentlich hierfür ist, dass der weniger zündwillige Brennstoff nicht durch Selbstzündung entflammt wird, sondern vielmehr durch den entflammten zweiten Brennstoff, der seinerseits wiederum unter Selbstzündungsbedingungen entflammt wird. In Abhängigkeit von der zeitlichen Abfolge kann somit insbesondere eingestellt werden, ob der Brennverlauf bezüglich der insoweit - aufgrund der nur sehr geringen in den Brennraum eingebrachten Menge an zweitem Brennstoff - dominanten Verbrennung des ersten Brennstoffs den Bedingungen einer rein diffusiven Verbrennung, einer rein vorgemischten Verbrennung, oder einer anteilig diffusiven und anteilig vorgemischten Verbrennung, wahlweise mit dominantem diffusivem Anteil oder dominantem vorgemischtem Anteil, genügt.
  • Liegt beispielsweise ein erster Einbringbeginn für das Einbringen des ersten Brennstoffs zeitlich deutlich nach einem zweiten Einbringbeginn für das Einbringen des zweiten Brennstoffs, ist der zweite Brennstoff bereits entflammt, bevor der erste Brennstoff in den Brennraum eingebracht wird. Dies wiederum hat zur Folge, dass der erste Brennstoff unmittelbar bei seinem Eintreten in den Brennraum entflammt wird und somit rein diffusiv verbrennt.
  • Liegt dagegen der erste Einbringbeginn deutlich vor dem zweiten Einbringbeginn, findet eine Vermischung von Verbrennungsluft und erstem Brennstoff statt, bevor der zweite Brennstoff als Pilotbrennstoff in den Brennraum eingebracht wird und somit die Entflammung stattfindet. Der erste Brennstoff verbrennt dann zumindest vorwiegend, vorzugsweise vollständig, in einer vorgemischten Verbrennung.
  • Liegen der erste Einbringbeginn und der zweite Einbringbeginn zeitlich näher beieinander als die zuvor genannten Extremalfälle, folgt die Verbrennung einem gemischten Brennverlauf, der sowohl diffusive als auch vorgemischte Anteile aufweist. Je nach zeitlicher Lage des ersten Einbringbeginns relativ zu dem zweiten Einbringbeginn ist dabei der diffusive Anteil oder der vorgemischte Anteil dominant.
  • Abhängig davon, wie der Brennverlauf ausgestaltet ist, ergeben sich insbesondere verschiedene Emissions- und/oder Verbrauchscharakteristika für den Betrieb der Brennkraftmaschine. Bei einer rein diffusiven Verbrennung sind beispielsweise die Kohlenwasserstoffemissionen sowie die Stickoxidemissionen tendenziell niedriger als bei einer rein vorgemischten Verbrennung. Dafür ist die Schwärzungszahl insbesondere bei einer rein vorgemischten Verbrennung tendenziell erniedrigt, auch kann der Verbrauch gering gehalten werden.
  • Vorteilhaft kann/können über die zeitliche Abfolge auch ein Brennraum-Spitzendruck, ein Brennraumdruckgradient und/oder eine maximal zulässige Abgastemperatur geeignet eingestellt werden.
  • Unter einem Einbringen eines Brennstoffs in den Brennraum wird insbesondere ein direktes Einbringen unmittelbar in den Brennraum - im Unterschied zum Einbringen in einen Ansaugtrakt -, insbesondere unter Hochdruck, insbesondere also eine Direkteinspritzung, Direkteindüsung oder Direkteinblasung des Brennstoffs, verstanden. Der mindestens eine Injektor ist also insbesondere derart an dem Brennraum angeordnet, dass der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff direkt in den Brennraum eingebracht werden.
  • Dass der erste Brennstoff weniger zündwillig ist, bedeutet insbesondere, dass er weniger zündwillig ist als der zweite Brennstoff, also eine geringere Zündwilligkeit aufweist als der zweite Brennstoff. Dass der zweite Brennstoff zündwilliger ist, bedeutet insbesondere, dass der zweite Brennstoff zündwilliger ist als der erste Brennstoff, also eine höhere Zündwilligkeit aufweist als der erste Brennstoff. Insbesondere ist der zweite Brennstoff geeignet, um unter Selbstzündungsbedingungen entflammt zu werden, d.h. ohne Fremdzündung, während der erste Brennstoff nicht unter Selbstzündungsbedingungen entflammt werden kann.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist der erste Brennstoff ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Methanol, Ethanol, einem höheren Alkohol, und einem Brenngas. Der zweite Brennstoff ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus organischem Dieselöl, mineralischem Dieselöl, und Dimethylether.
  • Unter einem organischen Dieselöl wird dabei insbesondere ein aus Pflanzen gewonnenes Dieselöl, beispielsweise Rapsöl, verstanden. Unter einem mineralischen Dieselöl wird dabei ein aus einem geologischen Rohstoff, insbesondere Erdöl, gewonnenes Dieselöl, insbesondere Diesel, verstanden.
  • Unter einem Brenngas wird ein unter Normalbedingungen, d.h. bei 1013 mbar und 25 °C, gasförmiger, brennbarer Stoff oder ein solches Stoffgemisch verstanden. Ein solches Brenngas kann insbesondere Methan und/oder Wasserstoff aufweisen oder aus Methan und/oder Wasserstoff bestehen. Insbesondere kann es sich bei dem Brenngas um Erdgas, insbesondere verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG) oder verdichtetes Erdgas (Compressed Natural Gas - CNG) handeln, oder um ein Biogas, Sondergas, Rohstoffbegleitgas, Produktgas der chemischen Industrie oder Hüttenindustrie, Produktgas der Stahlerzeugung, Deponiegas, Klärgas, Schwachgas, oder ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch.
  • Es ist möglich, dass der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff durch denselben Injektor in den Brennraum eingebracht werden, wobei dieser dann als Zweistoff-Injektor ausgebildet ist und zwei separate Injektionspfade zur separaten und zeitlich unabhängigen Einbringung der Brennstoffe aufweist. Es ist aber auch möglich, dass jedem Brennstoff ein eigener Injektor zugeordnet ist. In diesem Fall sind dem Brennraum bevorzugt mindestens zwei Injektoren zugeordnet, nämlich für den ersten Brennstoff ein erster Injektor und für den zweiten Brennstoff ein zweiter Injektor.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Einbringbeginn höchstens 1400 µs, vorzugsweise höchstens 1000 µs, vorzugsweise höchstens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn liegt, wenn als Anforderung ein niedriger Stickoxidausstoß sowie geringe Kohlenwasserstoffemissionen gegeben sind. Vorzugsweise werden diese Höchstwerte unterschritten, der erste Einbringbeginn liegt also bevorzugt um weniger als 1400 µs, vorzugsweise weniger als 1000 µs, vorzugsweise weniger als 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn. Insbesondere kann der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Einbringbeginn und dem zweiten Einbringbeginn auch negativ werden, was dann bedeutet, dass der erste Einbringbeginn zeitlich nach dem zweiten Einbringbeginn liegt. Bei der hier gewählten zeitlichen Abfolge wird insbesondere eine vornehmlich, d.h. schwerpunktmäßig oder dominant diffusive Verbrennung, gegebenenfalls sogar eine rein diffusive Verbrennung verwirklicht, wobei eine rein diffusive Verbrennung insbesondere verwirklicht wird, wenn der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Einbringbeginn und dem zweiten Einbringbeginn negativ ist. Vorteilhaft sind dabei der Stickoxidausstoß sowie auch die Kohlenwasserstoffemissionen gering.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Einbringbeginn so vorgegeben wird, dass der erste Einbringbeginn in einem Kompressionstakt des Brennraums höchstens 1500 ms vor einem oberen Totpunkt eines in dem Brennraum hubbeweglich verlagerbaren Kolbens liegt, vorzugsweise später, d.h. zeitlich näher an dem oberen Totpunkt. Die im Rahmen des Verfahrens betriebene Brennkraftmaschine ist dabei insbesondere als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei der in dem Brennraum hubbeweglich verlagerbare Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt oszilliert. Ein Kompressionstakt ist dabei ein Takt, in dem während einer Verlagerung des Kolbens von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch verdichtet wird. Der obere Totpunkt grenzt in diesem Fall insbesondere den Kompressionstakt von einem Arbeitstakt ab, in dem maßgeblich eine Verbrennung in dem Brennraum stattfindet. Dieser obere Totpunkt wird allgemein auch als Zünd-OT bezeichnet. Daher wird im Folgenden auch für diesen oberen Totpunkt im Kompressionstakt der Begriff Zünd-OT verwendet. Die Emissionen der Brennkraftmaschine, aber auch der Brennstoffverbrauch werden maßgeblich auch von der zeitlichen Lage des ersten Einbringbeginns relativ zu dem Zünd-OT bestimmt. Dabei ermöglicht der hier gewählte Einbringbeginn insbesondere einen niedrigen Stickoxidausstoß sowie geringe Kohlenwasserstoffemissionen.
  • Insbesondere wird bevorzugt der erste Einbringbeginn so gewählt, dass er zugleich höchstens 1400 µs, vorzugsweise höchstens 1000 µs, vorzugsweise höchstens 700 µs, vor dem zweiten Einbringbeginn liegt, vorzugsweise später, und zugleich höchstens 1500 ms vor dem Zünd-OT, vorzugsweise später, wenn als Anforderung ein niedriger Stickoxidausstoß sowie geringe Kohlenwasserstoffemissionen gegeben sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Einbringbeginn so vorgegeben wird, dass er mindestens 1500 ms vor dem Zünd-OT liegt, vorzugsweise früher, d.h. in einem größeren zeitlichen Abstand zu dem Zünd-OT, wenn als Anforderung ein niedriger Brennstoffverbrauch sowie eine geringe Schwärzungszahl gegeben sind. Vorteilhaft kann gerade bei einem solch großen zeitlichen Abstand des ersten Einbringenbeginns vor dem Zünd-OT der Brennstoffverbrauch gesenkt sowie die ausgestoßene Rußmenge bzw. Partikelemission verringert werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Einbringbeginn so vorgegeben wird, dass er höchstens 1400 µs, vorzugsweise höchstens 1000 µs, vorzugsweise höchstens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn liegt, vorzugsweise später, wenn als Anforderung ein niedriger Brennstoffverbrauch, eine geringe Schwärzungszahl und zusätzlich geringe Kohlenwasserstoffemissionen gegeben sind. Insbesondere wird bei diesen Anforderungen vorzugsweise der erste Einbringbeginn so vorgegeben, dass er mindestens 1500 ms vor dem Zünd-OT liegt, vorzugsweise früher, und zugleich höchstens 1400 µs, vorzugsweise höchstens 1000 µs, vorzugsweise höchstens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn, vorzugsweise später. Insbesondere auf diese Weise können ein niedriger Brennstoffverbrauch, eine geringe Schwärzungszahl und zusätzlich geringe Kohlenwasserstoffemissionen verwirklicht werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der erste Einbringbeginn so vorgegeben, dass er mindestens 1500 ms vor dem Zünd-OT liegt, vorzugsweise früher, wobei er zugleich mindestens 700 µs, vorzugsweise mindestens 1000 µs, vorzugsweise mindestens 1400 µs vor dem zweiten Einbringbeginn liegt, vorzugsweise früher, wenn als Anforderung ein niedriger Brennstoffverbrauch und eine geringe Schwärzungszahl gegeben sind. Insbesondere diese Vorgaben können in diesem Bereich der zeitlichen Lage des ersten Einbringbeginns zu dem zweiten Einbringbeginn sehr gut, insbesondere in besonderem Maß, erfüllt werden, wobei allerdings gegebenenfalls erhöhte Stickoxidemissionen und/oder erhöhte Kohlenwasserstoffemissionen hingenommen werden müssen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zeitliche Abfolge in Abhängigkeit eines effektiven Mitteldrucks des Brennraums oder der Brennkraftmaschine - insbesondere als Maß für den Lastpunkt - eingestellt wird, wobei die zeitliche Abfolge derart eingestellt wird, dass eine diffusive Verbrennung erzielt wird, wenn der effektive Mitteldruck unterhalb von 60 % oder unterhalb von 50 % oder unterhalb von 40 % eines maximalen effektiven Mitteldrucks liegt, wobei die zeitliche Abfolge derart eingestellt wird, dass eine anteilig diffusive und vorgemischte Verbrennung erzielt wird, wenn der effektive Mitteldruck in einem Bereich oberhalb von 60 % oder oberhalb von 50 % oder oberhalb von 40 % des maximalen effektiven Mitteldrucks liegt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise die zeitliche Abfolge des Brennstoffeintrags an einer messbaren Größe ausgerichtet werden kann.
  • Der maximale effektive Mitteldruck kann dabei leicht für die Brennkraftmaschine insbesondere aus einem Drehmoment-Drehzahl-Diagramm ermittelt werden und ist in der Regel für jede Brennkraftmaschine bekannt.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem transienten Betriebszustand eines Lastabwurfs der Brennkraftmaschine die zeitliche Abfolge derart geändert wird, dass während des Lastabwurfs eine diffusive, vorzugsweise rein diffusive, Verbrennung eingestellt wird, wobei vorzugsweise beim Erreichen eines stationären Betriebspunkts nach dem Lastabwurf die zeitliche Abfolge des Brennstoffeintrags wieder derart eingestellt wird, dass eine, vorzugsweise vornehmlich, vorgemischte Verbrennung erzielt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass nach einem transienten Betriebszustand eines Lastabwurfs proaktiv eine entsprechende Veränderung der zeitlichen Abfolge eingestellt werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Fall eines transienten Betriebspunkts einer Lastaufschaltung die zeitliche Abfolge derart variiert wird, dass eine vorgemischte, vorzugsweise rein vorgemischte, Verbrennung erzielt wird, sodass insbesondere nur eine geringe Schwärzungszahl auftritt, wobei vorzugsweise beim Erreichen eines stationären Betriebspunkts die zeitliche Abfolge wieder auf eine diffusive, vorzugsweise rein diffusive, Verbrennung umgestellt wird, oder bei einer vorgemischten Verbrennung verbleibt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass nur eine geringe Partikelemission während einer Lastaufschaltung resultiert.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Ist-Charakteristik eines Verbrennungsverlaufs, vorzugsweise zyklisch für jedes Arbeitsspiel, basierend auf einem Drucksensorsignal des mindestens einen Brennraums ermittelt wird, welche mit einer Soll-Charakteristik des Verbrennungsverlaufs verglichen wird, wobei aus dem Vergleich eine Soll-Ist-Abweichung bestimmt wird, und wobei anhand der Abweichung eine Regelung des Verbrennungsverlaufs mittels Veränderung der zeitlichen Abfolge als Stellgröße durchgeführt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise ein gewünschter Verbrennungsverlauf eingeregelt werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein, vorzugsweise geringer, Anteil von zweitem Brennstoff dem ersten Brennstoff, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 10 % (bezogen auf den Energiegehalt), beigemischt wird. Mit dem Begriff „beigemischt“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere verstanden werden, dass der erste Brennstoff dem zweiten Brennstoff vor einer Einbringung zugegeben und/oder beigemischt wird. Insofern ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste Brennstoff als Mischung aus dem entsprechenden Anteil des zweiten Brennstoffs und dem Rest erstem Brennstoff vorliegt. Mit anderen Worten wird das Gemisch aus erstem und zweitem Brennstoff nicht erst im Brennraum oder einem vorgelagerten Ansaugtrakt realisiert, sondern liegt schon zuvor gemischt vor. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass nach dem Einbringen des ersten Brennstoffs eine Raumzündung des Brennstoff-Luftgemischs aufgrund zahlreicher Zündquellen an zweitem Brennstoff erreicht werden kann.
  • Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, mit mindestens einem Brennraum, mindestens einem dem Brennraum zugeordneten Injektor, um einen ersten, weniger zündwilligen Brennstoff und einen zweiten, zündwilligeren Brennstoff in den Brennraum einzubringen, einem Drucksensor, welcher dem mindestens einen Brennraum zugeordnet ist, sowie einem Steuergerät, welches mit dem Drucksensor und mit dem mindestens einen Injektor wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine im Wesentlichen die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
  • Es ist möglich, dass der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff durch denselben Injektor in den Brennraum eingebracht werden, wobei dieser dann als Zweistoff-Injektor ausgebildet ist und zwei separate Injektionspfade zur separaten und zeitlich unabhängigen Einbringung der Brennstoffe aufweist. Es ist aber auch möglich, dass jedem Brennstoff ein eigener Injektor zugeordnet ist. In diesem Fall sind dem Brennraum bevorzugt mindestens zwei Injektoren zugeordnet, nämlich für den ersten Brennstoff ein erster Injektor und für den zweiten Brennstoff ein zweiter Injektor.
  • Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine ein separates Steuergerät aufweist, welches in zuvor beschriebener Weise eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die zuvor beschriebene Funktionalität in ein Steuergerät der Brennkraftmaschine integriert ist, oder dass das Steuergerät als Steuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die zuvor beschriebene Funktionalität in ein zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine (Engine Control Unit - ECU) integriert, oder das Steuergerät ist als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet.
  • Es ist möglich, dass die zuvor beschriebene Funktionalität in eine elektronische Struktur, insbesondere eine Hardware des Steuergeräts implementiert ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass in das Steuergerät ein Computerprogrammprodukt geladen ist, welches Anweisung aufweist, aufgrund derer die zuvor beschriebene Funktionalität und insbesondere die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte ausgeführt wird/werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft.
  • Insofern wird auch ein Computerprogrammprodukt bevorzugt, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer die zuvor beschriebene Funktionalität oder die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte ausgeführt wird/werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einem Steuergerät, einer Brennkraftmaschine abläuft.
  • Weiterhin wird auch ein Datenträger bevorzugt, welcher ein solches Computerprogrammprodukt aufweist.
  • Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombinierte Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine;
    • 2 eine schematische Darstellung verschiedener zeitlicher Abfolgen für die Einbringung des ersten Brennstoffs und des zweiten Brennstoffs im Rahmen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß 1, und
    • 3 eine schematische Darstellung der sich einstellenden Wirkungen verschiedener zeitlicher Abfolgen für den ersten Einbringbeginn und den zweiten Einbringbeginn, sowie der zeitlichen Lage des ersten Einbringbeginns relativ zu dem Zünd-OT.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, wobei die Brennkraftmaschine 1 mindestens einen Brennraum 3 aufweist, in dem ein Kolben 4 hubbeweglich verlagerbar ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist weiterhin einen Injektor 5 auf, um einen ersten, weniger zündwilligen Brennstoff, insbesondere ein Brenngas, und einen zweiten, zündwilligeren Brennstoff als Pilotbrennstoff, insbesondere ein Dieselöl oder Dimethylether, direkt in den Brennraum 3 einzubringen, sowie einen Drucksensor 7, welcher dem Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist weiterhin ein Steuergerät 9 auf, welches mit dem Injektor 5 und mit dem Drucksensor 7 wirkverbunden und eingerichtet ist, um eine zeitliche Abfolge, mit der der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff in den Brennraum 3 eingebracht werden, in Abhängigkeit eines Lastpunkts der Brennkraftmaschine 1 und/oder in Abhängigkeit von mindestens einer Anforderung zu wählen, wobei die mindestens eine Anforderung ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem niedrigen Brennstoffverbrauch, geringen Kohlenwasserstoffemissionen, geringen Stickoxidemissionen, geringen Partikelemissionen, und einer geringen Schwärzungszahl.
  • Das Steuergerät 9 ist insbesondere eingerichtet, um die zeitliche Abfolge in Abhängigkeit eines effektiven Mitteldrucks des Brennraums oder der Brennkraftmaschine - insbesondere als Maß für den Lastpunkt - einzustellen, wobei die zeitliche Abfolge derart eingestellt wird, dass eine diffusive Verbrennung erzielt wird, wenn der effektive Mitteldruck unterhalb von 60 % oder unterhalb von 50 % oder unterhalb von 40 % eines maximalen effektiven Mitteldrucks liegt, wobei die zeitliche Abfolge derart eingestellt wird, dass eine anteilig diffusive und vorgemischte Verbrennung erzielt wird, wenn der effektive Mitteldruck in einem Bereich oberhalb von 60 % oder oberhalb von 50 % oder oberhalb von 40 % des maximalen effektiven Mitteldrucks liegt.
  • Das Steuergerät 9 ist insbesondere eingerichtet, um in einem transienten Betriebszustand eines Lastabwurfs der Brennkraftmaschine die zeitliche Abfolge derart zu ändern, dass während des Lastabwurfs eine diffusive, vorzugsweise rein diffusive, Verbrennung eingestellt wird, wobei vorzugsweise beim Erreichen eines stationären Betriebspunkts nach dem Lastabwurf die zeitliche Abfolge des Brennstoffeintrags wieder derart eingestellt wird, dass eine, vorzugsweise vornehmlich, vorgemischte Verbrennung erzielt wird.
  • Das Steuergerät 9 ist insbesondere eingerichtet, um im Fall eines transienten Betriebspunkts einer Lastaufschaltung die zeitliche Abfolge derart zu variieren, dass eine vorgemischte, vorzugsweise rein vorgemischte, Verbrennung erzielt wird, sodass insbesondere nur eine geringe Schwärzungszahl auftritt, wobei vorzugsweise beim Erreichen eines stationären Betriebspunkts die zeitliche Abfolge wieder auf eine diffusive, vorzugsweise rein diffusive, Verbrennung umgestellt wird, oder bei einer vorgemischten Verbrennung verbleibt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass nur eine geringe Partikelemission während einer Lastaufschaltung resultiert.
  • Das Steuergerät 9 ist insbesondere eingerichtet, um eine Ist-Charakteristik eines Verbrennungsverlaufs, vorzugsweise zyklisch für jedes Arbeitsspiel, basierend auf einem Drucksensorsignal des mindestens einen Brennraums zu ermitteln, welche mit einer Soll-Charakteristik des Verbrennungsverlaufs verglichen wird, wobei aus dem Vergleich eine Soll-Ist-Abweichung bestimmt wird, und wobei anhand der Abweichung eine Regelung des Verbrennungsverlaufs mittels Veränderung der zeitlichen Abfolge als Stellgröße durchgeführt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise ein gewünschter Verbrennungsverlauf eingeregelt werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener zeitlicher Abfolgen für die Einbringung des ersten Brennstoffs und des zweiten Brennstoffs im Rahmen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 gemäß 1. Dabei ist bei a) eine erste zeitliche Abfolge auf einer Zeitachse t dargestellt, mit einem ersten Einbringbeginn E1 für das Einbringen des ersten Brennstoffs, der hier zeitlich nach einem zweiten Einbringbeginn E2 für das Einbringen des zweiten Brennstoffs liegt. Ein zeitlicher Abstand ΔE zwischen dem ersten Einbringbeginn E1 und dem zweiten Einbringbeginn E2 soll bezüglich des Vorzeichens immer so berechnet werden, dass die Lage des ersten Einbringbeginns E1 vor dem zweiten Einbringbeginn E2 betrachtet wird; der zeitliche Abstand ΔE ist hier also negativ.
  • Eingezeichnet ist auch eine erste Einbringdauer Δt1 für das Einbringen des ersten Brennstoffs, sowie eine zweite Einbringdauer Δt2 für das Einbringen des zweiten Brennstoffs. Außerdem ist auch die zeitliche Lage des Zünd-OT eingezeichnet, d.h. die zeitliche Lage des oberen Totpunkts des Kolbens 4 in einem Kompressionstakt der Brennkraftmaschine 1.
  • Bei b) ist eine andere zeitliche Abfolge dargestellt, bei welcher der zeitliche Abstand ΔE positiv ist.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der sich einstellenden Wirkungen verschiedener zeitlicher Abfolgen für den ersten Einbringbeginn E1 und den zweiten Einbringbeginn E2, sowie der zeitlichen Lage des ersten Einbringbeginns E1 relativ zu dem Zünd-OT.
  • Dabei ist auf der Abszisse die zeitliche Lage des ersten Einbringbeginns E1 in Millisekunden vor dem Zünd-OT dargestellt - in Pfeilrichtung liegt der erste Einbringbeginn E1 mit abnehmenden Werten der Skala zunehmend näher an dem Zünd-OT -, auf der Ordinate ist der zeitliche Abstand ΔE des ersten Einbringbeginns E1 vor dem zweiten Einbringbeginn E2 in Mikrosekunden dargestellt - in Pfeilrichtung liegt der erste Einbringbeginn E1 mit zunehmenden positiven Werten auf der Skala zeitlich zunehmend weiter, das heißt früher, vor dem zweiten Einbringbeginn E2; entgegen der Pfeilrichtung rückt der erste Einbringbeginn E1 mit kleiner werdenden positiven Werten zeitlich näher an den zweiten Einbringbeginn E2 heran, bis schließlich der zeitliche Abstand ΔE negativ wird, wobei dann der erste Einbringbeginn E1 zeitlich nach dem zweiten Einbringbeginn E2 liegt.
  • Die Abszisse schneidet die Ordinate bei 700 µs; die Ordinate schneidet die Abszisse bei 1500 ms. Auf diese Weise entstehen in dem dargestellten Diagramm von 3 vier Quadranten, die mit römischen Zahlen von I bis IV durchnummeriert sind.
  • Wenn als Anforderung ein niedriger Stickoxidausstoß sowie geringe Kohlenwasserstoffemissionen gegeben sind, wird der erste Einbringbeginn E1 bevorzugt so vorgegeben, dass er höchstens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn E2 liegt. Die Brennkraftmaschine 1 wird also in dem dritten Quadranten III oder in dem vierten Quadranten IV betrieben, in denen die mit HC bezeichneten Kohlenwasserstoffemissionen niedrig und die mit NOx bezeichneten Stickoxidemissionen zumindest neutral, vorzugsweise niedrig sind. Die Begriffe „Stickoxidemissionen“ und „Stickoxidausstoß“ werden hier synonym verwendet.
  • Besonders bevorzugt wird bei diesen Anforderungen der erste Einbringbeginn E1 zusätzlich so vorgegeben, dass er höchstens 1500 ms vor dem Zünd-OT liegt. Auf diese Weise wird die Brennkraftmaschine 1 in dem dritten Quadranten III betrieben. Hier sind sowohl die Kohlenwasserstoffemissionen als auch der Stickoxidausstoß niedrig.
  • Sind als Anforderung ein niedriger Brennstoffverbrauch sowie eine geringe Schwärzungszahl gegeben, wird der erste Einbringbeginn E1 bevorzugt so vorgegeben, dass er mindestens 1500 ms vor dem Zünd-OT liegt. Die Brennkraftmaschine 1 wird dann insbesondere in dem ersten Quadranten I oder in dem vierten Quadranten IV betrieben, wobei in diesen Quadranten die mit „Ruß“ bezeichnete Schwärzungszahl und der mit b_e bezeichnete Brennstoffverbrauch niedrig sind.
  • Insbesondere wenn als zusätzliche Anforderung geringe Kohlenwasserstoffemissionen hinzukommen, wird der erste Einbringbeginn E1 bevorzugt zusätzlich so vorgegeben, dass er höchstens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn E2 liegt. Die Brennkraftmaschine wird dann demnach in dem vierten Quadranten IV betrieben.
  • Sind als Anforderung dagegen lediglich ein niedriger Brennstoffverbrauch sowie eine geringe Schwärzungszahl gegeben, kann der erste Einbringbeginn E1 auch so gewählt werden, dass er mindestens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn E2 liegt, wobei er zugleich mindestens 1500 ms vor dem Zünd-OT liegt, wobei die Brennkraftmaschine 1 dann in dem ersten Quadranten I betrieben wird. Dort können besonders niedrige Werte für den Brennstoffverbrauch und die Schwärzungszahl erzielt werden, wobei allerdings gegebenenfalls die Stickoxidemissionen sowie die Kohlenwasserstoffemissionen hoch sind.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brennraum (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Einbringen eines ersten, weniger zündwilligen Brennstoffs und Einbringen eines zweiten, zündwilligeren Brennstoffs als Pilotbrennstoff in den mindestens einen Brennraum (3), - wobei eine zeitliche Abfolge, mit der der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff in den mindestens einen Brennraum (3) eingebracht werden, in Abhängigkeit eines Lastpunkts der Brennkraftmaschine (1) und/oder in Abhängigkeit von mindestens einer Anforderung gewählt wird, wobei die mindestens eine Anforderung ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem niedrigen Brennstoffverbrauch, geringen Kohlenwasserstoffemissionen, geringen Stickoxidemissionen, geringen Partikelemissionen, und einer geringen Schwärzungszahl.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Einbringbeginn für das Einbringen des ersten Brennstoffs so vorgegeben wird, dass der erste Einbringbeginn höchstens 1400 µs, vorzugsweise höchstens 1000 µs, vorzugsweise höchstens 700 µs vor einem zweiten Einbringbeginn für das Einbringen des zweiten Brennstoffs liegt, vorzugsweise später, wenn als Anforderung ein niedriger Stickoxidausstoß sowie geringe Kohlenwasserstoffemissionen gegeben sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einbringbeginn so vorgegeben wird, dass der erste Einbringbeginn in einem Kompressionstakt des Brennraums (3) höchstens 1500 ms vor einem oberen Totpunkt eines in dem Brennraum (3) hubbeweglich verlagerbaren Kolbens (4) liegt, vorzugsweise später.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einbringbeginn so vorgegeben wird, dass der erste Einbringbeginn in einem Kompressionstakt des Brennraums (3) mindestens 1500 ms vor einem oberen Totpunkt eines in dem Brennraum (3) hubbeweglich verlagerbaren Kolbens (4) liegt, vorzugsweise früher, wenn als Anforderung ein niedriger Brennstoffverbrauch sowie eine geringe Schwärzungszahl gegeben sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der erste Einbringbeginn so vorgegeben wird, dass der erste Einbringbeginn höchstens 1400 µs, vorzugsweise höchstens 1000 µs, vorzugsweise höchstens 700 µs vor dem zweiten Einbringbeginn liegt, vorzugsweise später, wenn als Anforderung ein niedrigerer Brennstoffverbrauch, eine geringe Schwärzungszahl und zusätzlich geringe Kohlenwasserstoffemissionen gegeben sind.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abfolge in Abhängigkeit eines effektiven Mitteldrucks des Brennraums (3) eingestellt wird, wobei die zeitliche Abfolge derart eingestellt wird, dass eine diffusive Verbrennung erzielt wird, wenn der effektive Mitteldruck unterhalb von 60 % oder unterhalb von 50 % oder unterhalb von 40 % eines maximalen effektiven Mitteldrucks liegt, wobei die zeitliche Abfolge derart eingestellt wird, dass eine anteilig diffusive und vorgemischte Verbrennung erzielt wird, wenn der effektive Mitteldruck in einem Bereich oberhalb von 60 % oder oberhalb von 50 % oder oberhalb von 40 % des maximalen effektiven Mitteldrucks liegt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem transienten Betriebszustand eines Lastabwurfs der Brennkraftmaschine (1) die zeitliche Abfolge derart geändert wird, dass während des Lastabwurfs eine diffusive, vorzugsweise rein diffusive, Verbrennung eingestellt wird, wobei vorzugsweise beim Erreichen eines stationären Betriebspunkts nach dem Lastabwurf die zeitliche Abfolge des Brennstoffeintrags wieder derart eingestellt wird, dass eine, vorzugsweise vornehmlich, vorgemischte Verbrennung erzielt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines transienten Betriebspunkts einer Lastaufschaltung die zeitliche Abfolge derart variiert wird, dass eine vorgemischte, vorzugsweise rein vorgemischte, Verbrennung erzielt wird, sodass insbesondere nur eine geringe Schwärzungszahl auftritt, wobei vorzugsweise beim Erreichen eines stationären Betriebspunkts die zeitliche Abfolge wieder auf eine diffusive, vorzugsweise rein diffusive, Verbrennung umgestellt wird, oder bei einer vorgemischten Verbrennung verbleibt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ist-Charakteristik eines Verbrennungsverlaufs, vorzugsweise zyklisch für jedes Arbeitsspiel, basierend auf einem Drucksensorsignal des mindestens einen Brennraums (3) ermittelt wird, welche mit einer Soll-Charakteristik des Verbrennungsverlaufs verglichen wird, wobei aus dem Vergleich eine Soll-Ist-Abweichung bestimmt wird, und wobei anhand der Abweichung eine Regelung des Verbrennungsverlaufs mittels Veränderung der zeitlichen Abfolge als Stellgröße durchgeführt wird.
  10. Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brennraum (3), mindestens einem dem Brennraum (3) zugeordneten Injektor (5), um einen ersten, weniger zündwilligen Brennstoff und einen zweiten, zündwilligeren Brennstoff in den Brennraum (3) einzubringen, einem Drucksensor (7), welcher dem mindestens einen Brennraum (3) zugeordnet ist, sowie einem Steuergerät (9), welches mit dem Drucksensor (7) und mit dem mindestens einen Injektor (5) wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät (9) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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