DE10330819A1 - Motor vehicle compression ignition internal combustion engine combustion control procedure uses light intensities from carbon, aldehyde and OH emissions to adjust parameters for homogeneous combustion - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Es ist allgemein bekannt, dass die Menge und die Anteile der bei der Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemisches freigesetzten Emissionen, beispielsweise Ruß oder NOx-Anteile im Abgas, vom Ablauf der Verbrennung im Brennraum abhängen. In modernen Motoren werden daher verschiedene Konzepte der Ladungsbildung verfolgt (beispielsweise Schichtladung), um eine zündwillige Ladung im Brennraum zu erzeugen, die gleichermaßen möglichst vollständig bei geringen Abgasemissionen verbrennt.It is well known that the amount and proportions of the emissions released during the combustion of an air-fuel mixture, for example soot or NO x components in the exhaust gas, depend on the combustion process in the combustion chamber. In modern engines, therefore, various concepts of charge formation are pursued (for example, layer charge) in order to generate an ignition-willing charge in the combustion chamber, which burns as completely as possible at low exhaust emissions.
Es ist bekannt, eine möglichst vollständige Verbrennung bei niedrigen Emissionen durch die Verwendung eines homogenen Brennstoff-Luft-Gemisches zu erzielen. Dazu wird Kraftstoff zu einem (mehreren) geeigneten Zeitpunkten) direkt in den Brennraum eingespritzt oder feinst zerstäubter bzw. verdampfter Brennstoff wird dabei in Form eines homogenen Brennstoff-Luft-Gemisches dem Brennraum zugeführt. Die homogene Ladung wird anschließend durch Kompressionszündung entflammt, wobei die Verbrennung homogen auf einem niedrigen Temperaturniveau erfolgt. Zonen fetten Gemisches treten in der homogenen Ladung nicht auf. Bei der Verbrennung entstehen nur sehr geringe Ruß- und NOx-Emissionen. Die Steuerung der homogenen Verbrennung gestaltet sich dabei als schwierig, da der Verbrennungsbeginn weder über den Spritzbeginn, wie beim üblichen dieselmotorischen Verfahren, noch über den Zündzeitpunkt, wie beim ottomotorischen Verfahren, gezielt gesteuert werden kann.It is known to achieve as complete as possible combustion at low emissions through the use of a homogeneous fuel-air mixture. For this purpose, fuel is injected directly into the combustion chamber at a (suitable) point in time or finely atomized or vaporized fuel is supplied to the combustion chamber in the form of a homogeneous fuel-air mixture. The homogeneous charge is then ignited by compression ignition, the combustion being homogeneous at a low temperature level. Zones rich mixtures do not occur in the homogeneous charge. Combustion produces only very low soot and NO x emissions. The control of the homogeneous combustion turns out to be difficult, since the start of combustion can be selectively controlled neither on the start of injection, as in the conventional diesel engine process, nor on the ignition, as in Otto engine method.
Da es sich wie beim dieselmotorischen Verfahren um ein Selbstzündungsverfahren handelt, wird die Verbrennung im Wesentlichen vom Verdichtungsdruck, der Verdichtungstemperatur und der Gemischzusammensetzung beeinflusst. Relevante Steuerparameter für einen Selbstzündungsprozess sind daher die Ladungsmenge, der An teil von rückgeführtem oder im Zylinder verbliebenem Abgas sowie die Einspritzmenge und deren Verteilung sowie das Verdichtungsverhältnis.There it is like the diesel engine process to a compression ignition process the combustion is essentially dependent on the compression pressure, the compression temperature and the mixture composition influenced. Relevant control parameters for an auto-ignition process therefore the amount of charge, the part of recycled or remaining in the cylinder Exhaust gas and the injection quantity and their distribution and the compression ratio.
Bei der homogenen Verbrennung gewinnt der Ladungszustand, insbesondere die Temperaturen von zugeführter Frischluft, rückgeführtem Abgas und auch des Kraftstoffs an Bedeutung. Durch den langen Zeitraum zwischen Einspritzung und Brennbeginn (Zündverzug) im Vergleich zum dieselmotorischen Verfahren sind die Gemischbildungsprozesse, die Vorreaktionen und auch die Entflammung stark von der Temperatur, dem Druck und der Ladungszusammensetzung abhängig, was sich wiederum auf die gesamte Verbrennung auswirkt.at the homogeneous combustion gains the state of charge, in particular the temperatures of supplied Fresh air, recirculated exhaust gas and also of fuel importance. Through the long period between Injection and start of combustion (ignition delay) Compared to the diesel engine process are the mixture formation processes, the Pre-reactions and also the ignition strongly from the temperature, Depending on the pressure and the charge composition, which in turn depends on the entire combustion effect.
Im Gegensatz zum bekannten diffusionsgesteuerten und somit heterogen verbrennenden dieselmotorischen Verfahren ist die homogene Verbrennung durch eine gleichzeitige Entzündung der Ladung im gesamten Brennraum gekennzeichnet. Die Verbrennung erfolgt gleichmäßig im gesamten Brennraum ohne Ausbildung einer Flammfront. Schmale Flammzonen mit hohen Spitzentemperaturen, wie sie bei der dieselmotorischen Verbrennung entstehen, werden bei der homogenen Verbrennung durch die Raumzündung des vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden. Die Energiefreisetzung erfolgt typisch in einem sehr kurzen Zeitintervall, da die Verbrennung Idealerweise überall im Brennraum gleichzeitig einsetzt.in the Contrary to the known diffusion-controlled and thus heterogeneous burning diesel engine process is the homogeneous combustion by a simultaneous inflammation the charge in the entire combustion chamber. The burning takes place evenly throughout the combustion chamber without training a flame front. Narrow flame zones with high peak temperatures, as they are produced during diesel engine combustion in the homogeneous combustion by the space ignition of the premixed fuel-air mixture avoided. The energy release is typically in a very short time interval, as the combustion is ideally everywhere in the combustion chamber at the same time.
Die Einstellung einer homogenen Verbrennung im Brennraum ist im Hinblick auf die erzeugten Schadstoffe in zwei Aspekten vorteilhaft: Einerseits wird durch die homogene Ladung die Ausbildung von Gemischzonen mit Lambda < 0.7, welche zur Rußbildung bei der Verbrennung führen, vermieden. Andererseits werden durch ein gleichmäßiges Temperaturprofil hohe Spitzentemperaturen vermieden und somit die NOx-Emissionen stark reduziert.The setting of a homogeneous combustion in the combustion chamber is advantageous in two respects with regard to the pollutants produced: On the one hand, the homogeneous charge avoids the formation of mixture zones with lambda <0.7, which lead to soot formation during combustion. On the other hand, a uniform temperature profile avoids high peak temperatures and thus greatly reduces NO x emissions.
Um eine homogene Verbrennung durch Selbstzündung sicherzustellen bzw. zu steuern, muss der Ablauf der Verbrennung im Brennraum beobachtet und beurteilt werden. Dies ist insbesondere unter den Bedingungen wechselnder Motorlast und -drehzahl in nahezu Echtzeit erforderlich.Around ensure homogeneous combustion through auto-ignition To control, the course of combustion in the combustion chamber must be observed and be judged. This is especially true under the conditions changing engine load and speed in near real time required.
Allgemein vorbekannt ist es, mittels eines optischen Sensors während der Verbrennung emittiertes Licht im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine aufzunehmen und ausgewählte Spektralbereiche dieses Lichtes zur Steuerung der Verbrennung zu benutzen.Generally It is already known, by means of an optical sensor during the Combustion emitted light in the combustion chamber of an internal combustion engine record and selected Spectral ranges of this light to control the combustion too to use.
Vorgeschlagen
wird beispielsweise in der
Weiterhin
vorbekannt ist aus der
Vorbekannt
ist aus der
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass mit den optischen Sensoren nur bestimmte Betriebszustände des Motors im otto- oder konventionellen dieselmotorischen Betrieb erfassbar sind und somit die Verbrennung im Brennraum nur in den verfahrenspezifischen Grenzen beeinflusst werden kann.adversely in the known method is that with the optical sensors only certain operating conditions the engine in otto- or conventional diesel engine operation are detectable and thus the combustion in the combustion chamber only in the process-specific limits can be influenced.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem aus den ermittelten Verbrennungsbedingungen im Brennraum bei einer Selbstzündung eine homogene Verbrennung in einem niedrigen Temperaturbereich und bei niedrigen Emissionen detektiert und auf dieser Basis gesteuert bzw. geregelt werden kann.Of the Invention is based on the object, a method for operating to provide an internal combustion engine, in which from the determined Combustion conditions in the combustion chamber in a self-ignition one homogeneous combustion in a low temperature range and at low emissions detected and controlled on this basis can be.
Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.These Task is in generic method for operating an internal combustion engine according to the invention the characterizing features of claim 1 solved.
Dadurch, dass aus den ermittelten Intensitäten bestimmter Spektralbereiche des bei der Verbrennung der Ladung emittierten Lichtes eine Regelung der Parameter der dem Zylinderraum zuzuführenden Gemischladung, des Restgasanteils im Zylinder sowie eines evtl. einstellbaren Verdichtungsverhältnisses erfolgt, wird erreicht, dass sich eine homogene Verbrennung des zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum einstellt. Mit dieser auf der Basis der Auswertung des bei der Verbrennung der Ladung emittierten Lichtes ausgerichteten Regelung des innermotorischen Brennprozesses wird erreicht, dass im Brennraum eine homogene Verbrennung mit einer über den gesamten Brennraum verteilten Reaktionszone vorliegt, die über ein gleichmäßiges Temperaturprofil verfügt und somit hohe Spitzentemperaturen vermeidet. Gleichzeitig werden bei der so eingestellten homogenen Verbrennung die Stickoxid- und Rußbildung derart reduziert, dass ihre Abgasemission die geforderten Normen der heutigen Abgasgesetzgebung erheblich unterschreitet.Thereby, that from the determined intensities of certain spectral ranges of the light emitted during the combustion of the charge a regulation the parameter of the mixture to be supplied to the cylinder space, the Residual gas content in the cylinder and a possibly adjustable compression ratio takes place, is achieved that a homogeneous combustion of supplied Setting fuel-air mixture in the combustion chamber. Up with this the basis of the evaluation of the emitted during combustion of the charge Light-oriented regulation of the internal engine combustion process is achieved that in the combustion chamber, a homogeneous combustion with a on the entire combustion chamber distributed reaction zone is present, which has a uniform temperature profile has and thus avoids high peak temperatures. At the same time in the thus set homogeneous combustion, the nitrogen oxide and soot formation reduced so that their exhaust emissions meet the required standards of considerably below today's emissions legislation.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die zur Regelung des Brennprozesses benötigten diskreten Intensitäten aus dem aufgenommenen Verbrennungslicht zeitlich sowie auch in der Intensität ein differenziertes Verhalten aufweisen. Dadurch besteht die Möglichkeit, aus dem Vorhandensein bzw. der Intensität der einzelnen Strahlungsanteile den Charakter der Verbrennung im Detail zu erfassen und somit rechtzeitig durch Regelung der Parameter der dem Zylinderraum zuzuführenden Gemischladung, des Restgasanteils im Zylinder sowie eines evtl. einstellbaren Verdichtungsverhältnisses Einfluss auf die Verbrennung nehmen zu können.One Another advantage of the solution according to the invention is that the to control the burning process required discrete intensities the recorded combustion light in time as well as in the intensity of a differentiated Behave. This gives the possibility of the presence or the intensity the individual radiation shares the character of the combustion in detail to capture and thus timely by regulating the parameters of the cylinder space to be supplied Mixture charge, the residual gas content in the cylinder and a possibly. adjustable compression ratio To be able to influence the combustion.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben; sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.Further advantageous embodiments are described in the subclaims; they are explained in the description together with their effects.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:Based of drawings, the invention will be described below by way of example described in more detail. In the corresponding Drawings show:
In
der
Erfindungsgemäß erfolgt
aus einem geeigneten Ausschnitt des Verlaufsspektrums der Rußstrahlung,
bspw. 695 bis 705 nm, die Ermittlung der Strahlungsintensität. Dieser
Ausschnitt kann jedoch auch aus einem anderen Spektralbereich der
Festkörperstrahlung
des Rußes
im Bereich zwischen 500 und 8000 nm gewählt werden. Weiterhin werden
die Intensitäten
der Aldehydbanden bei 375 bis 385 nm und bei 425 bis 435 nm und
der OH-Strahlung bei 305 bis 315 nm ermittelt. Mit Hilfe dieser
ermittelten Größen erfolgt
eine Regelung der Motorbetriebsparameter derart, dass sich eine
homogene Verbrennung des zugeführten
Brennstoff-Luft-Gemisches einstellt. Die mittels Messsonde
In
der
Mittels
des Rußdetektors
Wenn
durch den Rußdetektor
Sofern
der Rußdetektor
Zur Unterscheidung einer Verbrennung mit einstufiger Hochtemperaturenttlammung von einer homogenen Verbrennung wird wiederum der zeitliche Ablauf der Strahlungsemissionen genutzt. Ist ein simultaner Emissionsbeginn von OH- und Aldehydbanden detektierbar (keine abgesetzte Aldehydbandenstrahlung), so handelt es sich um eine einstufige Hochtemperaturentflammung mit Stickoxidbildung und nicht um den gewünschten mehrstufigen Prozess der Verbrennung. Dieser letztgenannte läuft zunächst über die Oxidation der langkettigen CH-Ketten zu Zwischenprodukten (Alkylperoxiden) ab, die wiederum bei Erreichen einer kritischen Konzentration zu Formaldehyden zerfallen (Emission der Aldehydbanden) und somit die gewünschte emissionsarme Niedrigtemperatur-Prozessführung der homogenen Verbrennung kennzeichnen.to Distinction of combustion with single-stage high-temperature ignition from a homogeneous combustion, in turn, the timing used the radiation emissions. Is a simultaneous emission start detectable by OH and aldehyde bands (no deposited aldehyde band radiation), so it is a one-stage high-temperature flame with nitric oxide formation and not the desired multi-stage process the combustion. This latter runs initially on the oxidation of the long-chain CH chains to intermediates (alkyl peroxides) from, in turn upon reaching a critical concentration to formaldehydes disintegrate (Emission of aldehyde bands) and thus the desired low-emission low-temperature process control of Identify homogeneous combustion.
Bei
Vorliegen einer Verbrennung mit einstufiger Hochtemperaturentflammung
erfolgt ebenfalls über
das Motorsteuergerät
Um
eine homogene Verbrennung detektieren zu können, ist es daher erforderlich,
die Aldehydbandenemission mittels des Aldehyddetektors
Von
der Auswerteeinrichtung
Bei
einer detektierten inhomogenen Verbrennung oder einer Verbrennung
mit einstufiger Hochtemperaturentflammung werden in an sich bekannter Weise
die Parameter der dem Zylinderraum zugeführten Gemischladung durch das
Motorsteuergerät
- – die Einspritzung des Kraftstoffes bzgl. Zeitpunkt, Druck, Mengenaufteilung
- – und/oder die Ladungszusammensetzung
- – und/oder die Ladungstemperatur bzw. Ladedruck
- – und/oder das Verdichtungsverhältnis
- - und/oder die Ladungsbewegung wie Drall und Tumble
- The injection of the fuel with respect to time, Pressure, quantity distribution
- And / or the charge composition
- - and / or the charge temperature or boost pressure
- - and / or the compression ratio
- - and / or the charge movement such as spin and tumble
- 11
- Peakpeak
- 1a1a
- Peakpeak
- 22
- Peakpeak
- 2a2a
- Peakpeak
- 33
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 44
- KraftstoffeinspritzungFuel injection
- 55
- Messsondeprobe
- 66
- RußdetektorRußdetektor
- 77
- OH-StrahlungsdetektorOH radiation detector
- 88th
- AldehyddetektorAldehyddetektor
- 99
- AldehyddetektorAldehyddetektor
- 1010
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 1111
- Auswerteeinrichtungevaluation
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