DE102021204501A1 - Operation of an internal combustion engine depending on water in the exhaust system - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor (1) und einen Abgasstrang (8) umfasst, sieht vor, dass ermittelt wird, ob eine Ansammlung von Wasser in dem Abgasstrang (8) vorliegt, wobei dann, wenn eine oberhalb eines Wassermengengrenzwerts liegende Menge an Wasser ermittelt wird, eine Füllung mindestens eines Brennraums (4) des Verbrennungsmotors (1) limitiert wird.A method for operating an internal combustion engine, which includes an internal combustion engine (1) and an exhaust system (8), provides that it is determined whether an accumulation of water in the exhaust system (8) is present, and then when a water amount is above a limit value Amount of water is determined, a filling of at least one combustion chamber (4) of the internal combustion engine (1) is limited.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang umfasst.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, which includes an internal combustion engine and an exhaust system.
Abgas, das im Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine von dem Verbrennungsmotor erzeugt und in den Abgasstrang überführt wird, umfasst relevante Mengen von Wasser. Dieses Wasser liegt beim Ausstoßen aus dem Verbrennungsmotor im Wesentlichen vollständig dampfförmig vor, kann jedoch in dem Abgasstrang auskondensieren und sich darin, insbesondere in Abgasnachbehandlungskomponenten, die in den Abgasstrang integriert sind, ansammeln. Nachfolgend wird flüssiges Wasser lediglich als Wasser und dampfförmiges Wasser als Wasserdampf bezeichnet. Ein Auskondensieren von Wasser aus dem Abgas tritt verstärkt auf, wenn das Abgas selbst bereits bei dem Ausstoßen aus dem Verbrennungsmotor eine relativ niedrige Temperatur aufweist und/oder wenn dieses beim Durchströmen des Abgasstrangs relativ weitgehend durch einen Wärmeübergang auf den Abgasstrang und insbesondere auf die darin integrierten Komponenten einer Abgasnachbehandlungseinrichtung abgekühlt wird. Relevante Mengen von Wasser können sich folglich insbesondere dann in dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine ansammeln, wenn der Verbrennungsmotor relativ häufig kalt gestartet und/oder über einen längeren Zeitraum mit relativ geringer Last betrieben wird.Exhaust gas that is generated by the internal combustion engine during operation of such an internal combustion engine and is transferred to the exhaust line includes relevant amounts of water. When it is discharged from the internal combustion engine, this water is essentially completely in vapor form, but it can condense out in the exhaust system and collect there, in particular in exhaust gas aftertreatment components that are integrated into the exhaust system. In the following, liquid water is simply referred to as water and vaporous water as water vapor. Condensation of water from the exhaust gas occurs more frequently when the exhaust gas itself already has a relatively low temperature when it is discharged from the internal combustion engine and/or when this is relatively largely due to heat transfer to the exhaust line and in particular to those integrated therein when flowing through the exhaust line Components of an exhaust aftertreatment device is cooled. Consequently, relevant amounts of water can accumulate in the exhaust system of an internal combustion engine in particular when the internal combustion engine is started relatively frequently from cold and/or is operated at a relatively low load over a longer period of time.
In dem Abgasstrang angesammeltes Wasser verdampft und wird dadurch aus dem Abgasstrang abgeführt, wenn diesem über das Abgas eine dafür ausreichende Wärmeenergie zugeführt wird. Beim Verdampfen expandiert Wasser in einem erheblichen Maße. Dies kann dazu führen, dass temporär der Druck des Abgases in dem Abgasstrang und damit der Gegendruck, der für ein Ausstoßen von Abgas aus dem Verbrennungsmotor überwunden werden muss, deutlich ansteigt. Dies kann sich negativ auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken. Insbesondere kann durch einen erhöhten Abgasgegendruck eine ausreichende Restgasspülung aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors verhindert werden, was im Extremfall zu Verbrennungsaussetzern aufgrund zu großer Mengen von inertem Restgas in den Brennräumen führen kann.Water that has accumulated in the exhaust line evaporates and is thereby discharged from the exhaust line when sufficient thermal energy is supplied to it via the exhaust gas. When evaporating, water expands to a significant extent. This can lead to a temporary increase in the pressure of the exhaust gas in the exhaust system and thus in the back pressure that has to be overcome in order to eject exhaust gas from the internal combustion engine. This can have a negative effect on the operating behavior of the internal combustion engine. In particular, increased exhaust gas back pressure can prevent adequate residual gas scavenging from the combustion chambers of the internal combustion engine, which in extreme cases can lead to misfires due to excessive amounts of inert residual gas in the combustion chambers.
Möglich ist, einen zu großen Abgasdruck im Abgasstrang und/oder Zündaussetzer zu detektieren, um dann Gegenmaßnahmen zu initiieren, womit jedoch relativ spät auf die beschriebene Problematik reagiert würde.It is possible to detect excessive exhaust gas pressure in the exhaust line and/or misfiring in order to then initiate countermeasures, which would, however, be a relatively late reaction to the problem described.
Die
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, möglichst schnell auf einen erhöhten Abgasdruck, der durch in dem Abgasstrang verdampfendes Wasser verursacht wird, zu reagieren.The invention was based on the object of demonstrating a possibility of reacting as quickly as possible to an increased exhaust gas pressure which is caused by water evaporating in the exhaust line.
Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is solved by a method according to patent claim 1 . Advantageous embodiments of this method are the subject matter of the further patent claims and/or result from the following description of the invention.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang umfasst, vorgesehen, wobei ermittelt wird, ob eine Ansammlung von (flüssigem) Wasser in dem Abgasstrang vorliegt. Sofern diese Ermittlung ergibt, dass eine über einem Wassermengengrenzwert liegende Menge an Wasser in dem Abgasstrang vorliegt, wird eine Füllung des mindestens eines Brennraums des Verbrennungsmotors, bei mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors vorzugsweise sämtlicher Brennräume, limitiert. Die „Füllung“ eines Brennraums die Masse des Gases oder des Gas-Kraftstoff-Gemischs die unter den gegebenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors je Arbeitsspiel in einen Brennraum eingebracht werden kann. Eine Limitierung der Füllung hat das Ziel, die Füllung des mindestens einen Brennraums auf einen Wert zu begrenzen, der unter einem maximalen Wert der Füllung, der im Betrieb der Brennkraftmaschine unter den gegebenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors erreichbar ist, liegt. Dieser Wert kann absolut oder auch relativ, d.h. beispielsweise als Prozentsatz des maximalen Werts, definiert werden.According to the invention, a method for operating an internal combustion engine, which includes an internal combustion engine and an exhaust line, is provided, it being determined whether there is an accumulation of (liquid) water in the exhaust line. If this determination shows that the amount of water in the exhaust system is above a water quantity limit value, filling of at least one combustion chamber of the internal combustion engine, preferably all combustion chambers if there are several combustion chambers in the internal combustion engine, is limited. The "filling" of a combustion chamber is the mass of the gas or the gas-fuel mixture that can be introduced into a combustion chamber under the given operating parameters of the combustion engine per working cycle. The aim of limiting the filling is to limit the filling of the at least one combustion chamber to a value below a maximum value the charge that can be achieved during operation of the internal combustion engine under the given operating parameters of the internal combustion engine. This value can be defined as absolute or relative, ie as a percentage of the maximum value, for example.
Durch eine solche bedarfsweise Limitierung der Füllung des Brennraums oder der Brennräume kann vermieden werden, dass der Verbrennungsmotor bei einem zu hohen Abgasdruck, der sich aus einem Verdampfen des Wassers ergeben kann, in Lastbereichen betrieben wird, die zu Verbrennungsaussetzern (d.h. das in dem Brennraum oder den Brennräumen vorhandene, Kraftstoff aufweisende Gemisch entflammt nicht oder nicht in ausreichendem Maße) führen können. Die Limitierung der Füllung der Brennräume wirkt diesem entgegen, weil dadurch der Mengenstrom an Abgas, der in den Abgasstrang nachströmt entsprechend limitiert wird, was sich erhöhend auf das Spülgefälle über dem Verbrennungsmotor auswirken kann. Dadurch kann dann ein zu hoher Gehalt an Restgas in dem Brennraum oder den Brennräumen, was zu Verbrennungsaussetzern führen kann, vermieden werden.By limiting the filling of the combustion chamber or combustion chambers as required, it is possible to avoid the combustion engine being operated in load ranges that lead to combustion misfires (i.e. that in the combustion chamber or The fuel-containing mixture present in the combustion chambers does not ignite or does not ignite to a sufficient extent). Limiting the filling of the combustion chambers counteracts this because the volume flow of exhaust gas that flows into the exhaust system is correspondingly limited, which can have an increasing effect on the scavenging gradient over the combustion engine. As a result, an excessive residual gas content in the combustion chamber or combustion chambers, which can lead to misfires, can be avoided.
Der Wassermengengrenzwert kann grundsätzlich null betragen, so dass eine Limitierung immer dann vorgesehen sein kann, wenn eine Ansammlung von Wasser in dem Abgasstrang ermittelt wird. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass der Wassermengengrenzwert größer null ist beträgt, so dass sichergestellt wird, dass die Limitierung der Füllung, die sich auch negativ auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken kann, nur dann durchgeführt wird, wenn so viel Wasser in dem Abgasstrang vorliegt, dass dessen Verdampfen tatsächlich zu einem problematisch hohen Abgasdruck führen kann.In principle, the water quantity limit value can be zero, so that a limitation can always be provided if an accumulation of water in the exhaust line is determined. However, it is preferably provided that the water quantity limit value is greater than zero, so that it is ensured that the limitation of the filling, which can also have a negative effect on the operating behavior of the internal combustion engine, is only carried out when there is so much water in the exhaust line that that its evaporation can actually lead to a problematically high exhaust gas pressure.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Füllung des mindestens einen Brennraums nur dann limitiert wird, wenn auch eine Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs oberhalb (jeweils) eines Temperaturgrenzwerts liegt. Dadurch kann eine (unnötige) Limitierung vermieden werden, wenn beziehungsweise solange trotz einer gegebenenfalls vorliegenden Ansammlung einer relevanten Menge von Wasser in dem Abgasstrangs kein Erreichen eines problematischen Abgasdrucks aufgrund eines Verdampfens des Wassers droht, weil die Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs zu gering ist, um in relativ kurzer Zeit eine relativ große Menge des Wassers zu verdampfen.Provision can also be made for the filling of the at least one combustion chamber to be limited only when a temperature of the exhaust gas and/or the exhaust line is above (in each case) a temperature limit value. As a result, an (unnecessary) limitation can be avoided if or as long as there is no risk of a problematic exhaust gas pressure being reached due to evaporation of the water, despite a possible accumulation of a relevant amount of water in the exhaust gas system, because the temperature of the exhaust gas and/or the exhaust gas system is too low is to evaporate a relatively large amount of water in a relatively short time.
Um eine Limitierung der Füllung und damit die sich daraus möglicherweise ergebenden Nachteile hinsichtlich des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine möglichst zu vermeiden, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die (zunächst durchgeführte) Limitierung aufgehoben wird, wenn wieder eine unter einem/dem Wassermengengrenzwert liegende Menge an Wasser ermittelt wird und/oder wenn die Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs wieder unterhalb eines/des Temperaturgrenzwerts liegt. Der Wassermengengrenzwert und/oder der Temperaturgrenzwert kann dabei jeweils demjenigen entsprechend, ab dem eine Limitierung der Füllung vorgesehen ist. Vorzugsweise liegt der jeweilige (Wassermengen- oder Temperatur-)Grenzwert für die Aufhebung der Limitierung jedoch unterhalb des jeweiligen (Wassermengen- oder Temperatur-)Grenzwerts für die Limitierung, wodurch in der Art einer Zweipunktregelung beziehungsweise einer regelungstechnischen Hysterese eine in relativ kurzer Zeit erfolgende, mehrfache Umschaltung zwischen Limitierung und Nicht-Limitierung bei einer angesammelten Wassermenge, die im Bereich eines (einzigen) Wassermengengrenzwerts liegt, und/oder bei einer Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs, die im Bereich eines (einzigen) Temperaturgrenzwerts liegt, vermieden werden kann. Vor diesem Hintergrund sollte zudem vorgesehen sein, dass dann, wenn sich die jeweiligen (Wassermengen- und/oder Temperatur-)Grenzwerte für die Limitierung und Nicht-Limitierung unterscheiden, der Abstand zwischen diesen Grenzwerten ausreichend groß sein, um eine mehrfache Umschaltung in relativ kurzer Zeit aufgrund eines geringfügigen Schwankens der ermittelten Wassermenge und/oder der Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs zu vermeiden. Gleichzeitig sollte der Abstand zwischen den Grenzwerten jedoch auch nicht zu groß sein, um eine Limitierung der Füllung des Brennraums oder der Brennräume möglichst nur dann durchzuführen, wenn dies aufgrund einer entsprechend großen Wassermenge und/oder aufgrund einer entsprechend hohen Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs erforderlich ist.In order to avoid as far as possible a limitation of the filling and thus the resulting disadvantages in terms of the operating behavior of the internal combustion engine, it can also preferably be provided that the (initially implemented) limitation is canceled if the amount of water is again below a/the water quantity limit value is determined and/or when the temperature of the exhaust gas and/or the exhaust line is again below a/the temperature limit value. The water quantity limit value and/or the temperature limit value can in each case correspond to that from which a limitation of the filling is provided. However, the respective (water quantity or temperature) limit value for the removal of the limitation is preferably below the respective (water quantity or temperature) limit value for the limitation, whereby in the manner of a two-point control or a control-related hysteresis, a relatively short time multiple switching between limitation and non-limitation when the accumulated water quantity is in the range of a (single) water quantity limit value and/or when the temperature of the exhaust gas and/or the exhaust system is in the range of a (single) temperature limit value can be avoided . Against this background, it should also be provided that if the respective (water quantity and/or temperature) limit values for limitation and non-limitation differ, the distance between these limit values should be large enough to allow multiple switching in a relatively short time Time to avoid due to a slight fluctuation in the determined amount of water and / or the temperature of the exhaust and / or the exhaust line. At the same time, however, the distance between the limit values should not be too large, so that the filling of the combustion chamber or combustion chambers is only limited if this is necessary due to a correspondingly large amount of water and/or due to a correspondingly high temperature of the exhaust gas and/or the Exhaust system is required.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Füllung des mindestens einen Brennraums in Abhängigkeit von der Menge an Wasser und/oder von der Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs variabel limitiert wird, wobei die Limitierung umso größer gewählt wird je größer die Menge an Wasser und/oder die Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs ist. Folglich kann die Limitierung bedarfsgerecht umso größer gewählt werden, je größer die potenziell verdampfende Menge an Wasser ist und damit je größer der daraus resultierende Abgasdruck sein kann. Dadurch wird die Limitierung nur so weit umgesetzt, wie dies zur tatsächlichen Vermeidung der Nachteile, die sich aus einem zu großen Abgasdruck ergeben könnten, sinnvoll ist.Provision can also preferably be made for the filling of the at least one combustion chamber to be variably limited as a function of the amount of water and/or the temperature of the exhaust gas and/or the exhaust line, with the limit being selected to be greater the greater the amount of water and/or the temperature of the exhaust gas and/or the exhaust line. Consequently, the limitation can be selected to be greater as required, the greater the potentially evaporating quantity of water and thus the greater the resulting exhaust gas pressure can be. As a result, the limitation is only implemented to the extent that it makes sense to actually avoid the disadvantages that could result from excessive exhaust gas pressure.
Wasser kann sich insbesondere im Bereich einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere in einem Abgaskatalysator und/oder in einem Partikelfilter der Abgasnachbehandlungseinrichtung, ansammeln, weil das Abgas in diesen Abgasnachbehandlungskomponenten zeitweise besonders stark gekühlt wird. Zudem kann die Strömungsgeschwindigkeit in diesen Abgasnachbehandlungskomponenten relativ gering sein, was ebenfalls ein Auskondensieren von Wasser aus dem Abgas verstärken kann. Und schließlich weisen solche Abgasnachbehandlungskomponenten üblicherweise gegenüber Abgasrohren des Abgasstrangs, die als Zu- und Ableitungen zu diesen Abgasnachbehandlungskomponenten dienen, vergrößerte Strömungsquerschnitte auf, wodurch Senken ausgebildet sein können, in denen sich auskondensiertes Wasser in relativ großer Menge ansammeln kann. Vor diesem Hintergrund kann es vorteilhaft sein, dass die Ansammlung von Wasser zumindest innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung und insbesondere in dem Abgaskatalysator und/oder dem Partikelfilter davon ermittelt wird.Water can collect in particular in the area of an exhaust gas afterbe integrated into the exhaust system treatment device, in particular in an exhaust gas catalytic converter and/or in a particle filter of the exhaust gas aftertreatment device, because the exhaust gas in these exhaust gas aftertreatment components is at times cooled to a particularly high degree. In addition, the flow velocity in these exhaust gas aftertreatment components can be relatively low, which can also increase water condensing out of the exhaust gas. And finally, such exhaust gas aftertreatment components usually have larger flow cross sections than exhaust gas pipes of the exhaust system that serve as inlet and outlet lines to these exhaust gas aftertreatment components, which means that sinks can be formed in which relatively large amounts of water that has condensed out can collect. Against this background, it can be advantageous for the accumulation of water to be determined at least within the exhaust gas aftertreatment device and in particular in the exhaust gas catalytic converter and/or the particle filter thereof.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, eine Ansammlung von Wasser in dem Abgasstrang mittels eines geeigneten Sensors zu messen. Dafür kann es jedoch erforderlich sein, eine Vielzahl von entsprechenden Sensoren innerhalb des Abgasstrangs zu positionieren, um sicher sämtliche größeren Ansammlungen von Wasser ermitteln zu können. Beispielsweise könnte dafür eine Positionierung jeweils mindestens eines Sensors an einer in Schwerkraftrichtung möglichst tief gelegenen Stelle in jedem der möglicherweise mehreren Abgaskatalysatoren und/oder Partikelfilter erforderlich sein. Dies kann mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand und damit entsprechend hohen Kosten verbunden sein. Vorteilhaft kann daher eine Ermittlung hinsichtlich einer Ansammlung von Wasser modellbasiert erfolgen, so dass ausgehend von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Umgebungstemperatur, dem Verlauf einer Temperatur des Verbrennungsmotors, der Betriebslast und der Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors, etc., darauf geschlossen wird, ob und in welcher Menge Wasser in dem Abgasstrang auskondensiert ist und sich darin angesammelt hat. Eine solche modellbasierte Ermittlung kann dabei insbesondere auch sämtliche Betriebszyklen (zwischen einer Inbetriebnahme und einem Außerbetriebsetzen der Brennkraftmaschine) sowie die Zeiten zwischen jeweils zwei solcher Betriebszyklen berücksichtigen.In principle, there is the possibility of measuring an accumulation of water in the exhaust system using a suitable sensor. However, it may be necessary to position a large number of corresponding sensors within the exhaust line in order to be able to reliably determine all larger accumulations of water. For example, it could be necessary to position at least one sensor at a point that is as low as possible in the direction of gravity in each of the possible multiple exhaust gas catalytic converters and/or particle filters. This can be associated with a considerable design effort and thus correspondingly high costs. Advantageously, therefore, a determination with regard to an accumulation of water can be based on a model, so that, based on the operating parameters of the internal combustion engine, for example the ambient temperature, the course of a temperature of the internal combustion engine, the operating load and the operating speed of the internal combustion engine, etc., conclusions can be drawn as to whether and how much water has condensed out in the exhaust system and has accumulated therein. Such a model-based determination can, in particular, also take into account all operating cycles (between starting and stopping the internal combustion engine) and the times between each two such operating cycles.
In gleicher Weise kann vorteilhaft die Temperatur des Abgases und/oder des Abgasstrangs modellbasiert ermittelt werden, wobei diesbezüglich auch eine Messung zumindest einer Temperatur möglich ist und gegebenenfalls auch vorteilhaft sein kann.In the same way, the temperature of the exhaust gas and/or the exhaust line can advantageously be determined on the basis of a model, with a measurement of at least one temperature also being possible in this regard and possibly also being advantageous.
Eine Limitierung der Füllung des mindestens einen Brennraums kann insbesondere durch eine Anpassung und insbesondere Begrenzung des Ladedrucks, der mittels eines in einen Frischgastrang der Brennkraftmaschine integrierten Frischgasverdichters erzeugt wird, erfolgen, weil dies eine möglichst schnelle und einfache Möglichkeit zur Füllungslimitierung darstellt. Dies bedingt jedoch eine entsprechende, mittels des Frischgasverdichters aufgeladene Ausgestaltung der erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine. Ergänzend oder alternativ kann insbesondere auch die Ventilstellung eines in den Frischgasstrang integrierten Drosselventils und/oder die Betätigung von Einlassventilen eines variablen Ventiltriebs des Verbrennungsmotors, insbesondere hinsichtlich der Größe des jeweiligen Öffnungshubs und/oder der Länge der Öffnungsdauer und/oder der Steuerzeiten (d.h. der Öffnung der Einlassventile in Relation zu einer Stellung eines den jeweiligen Brennraum variabel begrenzenden Kolbens), angepasst werden.The filling of the at least one combustion chamber can be limited in particular by adapting and in particular limiting the charging pressure, which is generated by means of a fresh-gas compressor integrated into a fresh-gas line of the internal combustion engine, because this represents the fastest and simplest possible way of limiting the filling. However, this requires a corresponding configuration of the internal combustion engine operated according to the invention that is supercharged by means of the fresh-gas compressor. In addition or as an alternative, the valve position of a throttle valve integrated into the fresh-gas line and/or the actuation of intake valves of a variable valve train of the internal combustion engine, in particular with regard to the size of the respective opening lift and/or the length of the opening duration and/or the control times (i.e. the opening of the intake valves in relation to a position of a piston that variably delimits the respective combustion chamber).
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise zumindest zeitweise fremdgezündet, insbesondere fremdgezündet und quantitätsgeregelt (d.h. ein Ottomotor), sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um eine funktionale Kombination aus Ottomotor und Dieselmotor, z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handelt. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.The internal combustion engine of an internal combustion engine operated according to the invention can preferably be spark-ignited at least at times, in particular spark-ignited and quantity-controlled (i.e. a spark-ignition engine). However, there is also the possibility that the internal combustion engine is a (self-igniting and quality-controlled) diesel engine or a functional combination of a gasoline engine and a diesel engine, e.g. an internal combustion engine with homogeneous compression ignition. The internal combustion engine can be operated with both liquid fuel (i.e. diesel or petrol) and gaseous fuel (especially natural gas, LNG or LPG).
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine beziehungsweise ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeugs. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.The invention also relates to a motor vehicle, in particular a wheel-based and non-rail-bound motor vehicle (preferably a car or a truck), with an internal combustion engine operated according to the invention or a method for operating such a motor vehicle. The internal combustion engine of the internal combustion engine can be provided in particular for the (direct or indirect) provision of the driving power for the motor vehicle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnungen zeigt:
-
1 : eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine in vereinfachter Darstellung.
-
1 : an internal combustion engine suitable for carrying out a method according to the invention in a simplified representation.
Die
Die Brennkraftmaschine ist aufgeladen ausgestaltet, wozu in den Frischgasstrang 5 ein Frischgasverdichter 12 integriert ist. Der Frischgasverdichter 12 ist Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 13 umfasst, die in den Abgasstrang 8 integriert ist. Abgas, das die Abgasturbine 13 durchströmt, führt zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads, das über eine Welle 14 drehantreibend mit einem Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters 12 verbunden ist, so dass im Ergebnis ein Antrieb des Frischgasverdichters 12 mittels der Abgasturbine 13 erfolgt.The internal combustion engine is supercharged, for which purpose a fresh-
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 umfasst zumindest einen Abgaskatalysator 15 und einen Partikelfilter 16. Der Abgaskatalysator 15 kann insbesondere als Dreiwegekatalysator ausgestaltet sein und demnach zumindest eine Umwandlung von Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) katalytisch unterstützen. Der Abgaskatalysator 15 und der Partikelfilter 16 können auch integral ausgestaltet sein, wozu insbesondere ein Filterkörper des Partikelfilters 16 mit einer katalytisch und insbesondere als Dreiwegekatalysator wirksamen Beschichtung versehen sein kann.The exhaust
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 werden das diesem zuzuführende Frischgas sowie die Mengen des mittels der Kraftstoffinjektoren 7 je Arbeitsspiel in die einzelnen Brennräume 4 einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von dem konkreten Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1, der insbesondere durch die angeforderte Last und die Betriebsdrehzahl definiert ist, gezielt eingestellt. Hierzu kann hinsichtlich des Frischgases die Betriebsstellung eines in den Frischgasstrang 5 integrierten Drosselventils 17 und/oder eines variablen Ventiltriebs 18, mittels dessen die Einlassventile 6 variabel betätigbar sind, gezielt verändert werden.During operation of the internal combustion engine 1, the fresh gas to be supplied to it and the quantities of fuel to be introduced into the individual combustion chambers 4 by means of the fuel injectors 7 per working cycle are targeted as a function of the specific operating state of the internal combustion engine 1, which is defined in particular by the required load and the operating speed set. For this purpose, with regard to the fresh gas, the operating position of a
Abgas, das im Betrieb der Brennkraftmaschine von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugt und in den Abgasstrang 8 überführt wird, umfasst relevante Mengen an Wasserdampf. Dieser Wasserdampf kann in dem Abgasstrang 8 als Wasser auskondensieren und sich darin, insbesondere in Abgasnachbehandlungskomponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11, ansammeln. Ein Auskondensieren von Wasser aus dem Abgas tritt verstärkt auf, wenn das Abgas selbst bereits bei dem Ausstoßen aus dem Verbrennungsmotor 1 eine relativ niedrige Temperatur aufweist und/oder wenn dieses beim Durchströmen des Abgasstrangs 8 relativ stark durch eine Entspannung mittels der Abgasturbine 13 sowie durch einen Übergang von Wärmeenergie auf den Abgasstrang 8 und insbesondere auf die von diesem umfassten Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 abgekühlt wird. Relevante Mengen von Wasser können sich folglich insbesondere dann in dem Abgasstrang 8 ansammeln, wenn der Verbrennungsmotor 1 relativ häufig kalt gestartet und/oder über einen längeren Zeitraum mit geringer Last betrieben wird und/oder nach häufigen Kaltstarts nur kurz betrieben wird.Exhaust gas that is generated by the internal combustion engine 1 during operation of the internal combustion engine and is transferred to the exhaust system 8 includes relevant amounts of water vapor. This water vapor can condense out as water in the exhaust line 8 and collect therein, in particular in exhaust gas aftertreatment components of the
In dem Abgasstrang 8 angesammeltes Wasser verdampft und wird dadurch aus dem Abgasstrang 8 abgeführt, wenn diesem über das Abgas eine entsprechende Menge Wärmeenergie zugeführt wird. Beim Verdampfen expandiert das Wasser in einem erheblichen Maße, wodurch temporär der Druck in dem Abgasstrang 8 und damit der Gegendruck, der für ein Ausstoßen von Abgas aus dem Verbrennungsmotor 1 überwunden werden muss, deutlich ansteigt. Weiterhin kann in der Abgasanlage kondensiertes Wasser zum temporären Verschließen der Poren in einem Filterkörper des Partikelfilters 16 führen, welches damit den Strömungsquerschnitt verringert. Dadurch wird der Gegendruck temporär bis zur Verdampfung des Wassers erhöht. Dies kann sich negativ auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken. Insbesondere kann durch einen erhöhten Abgasgegendruck eine ausreichende Restgasspülung aus den Brennräumen 4 des Verbrennungsmotors 1 verhindert werden, was im Extremfall zu Verbrennungsaussetzern führen kann.Water that has accumulated in the exhaust line 8 evaporates and is thereby discharged from the exhaust line 8 when a corresponding amount of thermal energy is supplied to it via the exhaust gas. When evaporating, the water expands to a considerable extent, as a result of which the pressure in the exhaust line 8 and thus the back pressure that has to be overcome in order to eject exhaust gas from the internal combustion engine 1 temporarily increases significantly. Furthermore, water that has condensed in the exhaust system can temporarily close the pores in a filter body of the
Um dies zu vermeiden ist vorgesehen, dass modellbasiert ermittelt wird, ob und in welchem Ausmaß eine Ansammlung von Wasser in dem Abgasstrang 8 vorliegt. Sofern diese Ermittlung ergibt, dass eine über einem Wassermengengrenzwert liegende Menge an Wasser in dem Abgasstrang 8 vorliegt, wird eine Füllung der Brennräume 4 im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 limitiert. Dadurch kann vermieden werden, dass der Verbrennungsmotor 1 bei einem zu hohen Abgasdruck, der sich aus einem Verdampfen des Wassers ergeben kann, in Lastbereichen betrieben wird, die zu Verbrennungsaussetzern führen können.In order to avoid this, it is provided that a model-based determination is made as to whether and to what extent water has accumulated in the exhaust line 8 . If this determination shows that there is a quantity of water in the exhaust line 8 that is above a water quantity limit value, filling of the combustion chambers 4 during operation of the internal combustion engine 1 is limited. This can prevent the internal combustion engine 1 from being operated in load ranges that can lead to combustion misfires when the exhaust gas pressure is too high, which can result from evaporation of the water.
Zur Limitierung der Füllung der Brennräume 4 im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 kann insbesondere vorgesehen sein, den Ladedruck beziehungsweise die Verdichtung des dem Verbrennungsmotor 1 zuzuführenden Frischgases, die mittels des Frischgasverdichters 12 bewirkt wird, anzupassen und insbesondere zu reduzieren. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Abgasturbine eine variable Turbinengeometrie (VTG) aufweist. Zur Realisierung einer solchen variablen Turbinengeometrie kann die Abgasturbine in bekannter Weise eine Vorrichtung 19 aufweisen, mittels der ein Strömungsquerschnitt, über den Abgas zu einem Turbinenlaufrad der Abgasturbine 13 geführt werden kann, zumindest hinsichtlich der Wirksamkeit veränderbar ist, wozu insbesondere die Größe des freien Strömungsquerschnitts und/oder der Winkel der Anströmung von Schaufeln des Turbinenlaufrads veränderbar sein kann. Mittels einer variablen Turbinengeometrie kann folglich beeinflusst werden, in welchem Maße Abgasenthalpie zur Erzeugung von Antriebsleistung für den Frischgasverdichter 12 genutzt wird, so dass über eine entsprechende Einstellung der variablen Turbinengeometrie der mittels des Frischgasverdichters 12 erzeugte Ladedruck angepasst werden kann.In order to limit the filling of the combustion chambers 4 during operation of the internal combustion engine 1, provision can be made in particular to adapt and in particular to reduce the charging pressure or the compression of the fresh gas to be supplied to the internal combustion engine 1, which is effected by means of the
Alternativ oder ergänzend kann die Füllung der Brennräume 4 auch durch ein relativ weitgehendes Schließen des Drosselventils 17, was zu einer verstärkten Drosselung der Strömung des dem Verbrennungsmotor1 zuzuführenden Frischgases führt, und/oder durch eine entsprechende Anpassung der Betätigung der Einlassventile 6 mittels des variablen Ventiltriebs 18 limitiert werden.Alternatively or additionally, the filling of the combustion chambers 4 can also be achieved by closing the
Eine Limitierung der Füllung erfolgt dann, wenn eine Ansammlung einer Menge an Wasser in dem Abgasstrang 8 ermittelt wird, die oberhalb eines Wassermengengrenzwerts liegt, und zudem, wenn sowohl die Temperatur des Abgases als auch eine Temperatur des Abgasstrangs 8, insbesondere eine Temperatur des Abgaskatalysators 15 und/oder des Partikelfilters 16, oberhalb eines jeweiligen Temperaturgrenzwerts liegt, weil dann eine tatsächliche Gefahr besteht, dass relevante Mengen an Wasser relativ schnell verdampfen und damit der Abgasdruck temporär so stark ansteigen kann, dass sich dies negativ auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt. Sobald diese Gefahr nicht mehr besteht, wird die Limitierung wieder aufgehoben, um eine unnötig lang andauernde Limitierung zu vermeiden.The filling is limited when an accumulation of a quantity of water in the exhaust line 8 is determined that is above a water quantity limit value, and also when both the temperature of the exhaust gas and a temperature of the exhaust line 8, in particular a temperature of the exhaust gas
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 22
- Zylinderöffnungcylinder opening
- 33
- Hubkolbenreciprocating
- 44
- Brennraumcombustion chamber
- 55
- Frischgasstrangfresh gas line
- 66
- Einlassventilintake valve
- 77
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 88th
- Abgasstrangexhaust line
- 99
- Auslassventiloutlet valve
- 1010
- Zündvorrichtungignition device
- 1111
- Abgasnachbehandlungseinrichtungexhaust aftertreatment device
- 1212
- Frischgasverdichterfresh gas compressor
- 1313
- Abgasturbineexhaust turbine
- 1414
- WelleWave
- 1515
- Abgaskatalysatorcatalytic converter
- 1616
- Partikelfilterparticle filter
- 1717
- Drosselventilthrottle valve
- 1818
- Ventiltriebvalve train
- 1919
- Vorrichtung zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie der AbgasturbineDevice for realizing a variable turbine geometry of the exhaust gas turbine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102016100878 A1 [0005]DE 102016100878 A1 [0005]
- DE 102017211024 A1 [0006]DE 102017211024 A1 [0006]
- DE 10110340 A1 [0007]DE 10110340 A1 [0007]
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Legal Events
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