DE202016101510U1

DE202016101510U1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE202016101510U1
Application number: DE202016101510.3U
Authority: DE
Original assignee: Sick Engineering GmbH
Current assignee: Sick Engineering GmbH
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-06-26
Anticipated expiration: 2026-03-19

Abstract

Verbrennungsmotor (M) mit zumindest einer Verbrennungskammer (1), zumindest einem Lufteinlassabschnitt (2) zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer (1), zumindest einem Abgasauslass (3) zum Abführen von Abgas in zumindest ein Abgasrohr (4), zumindest einem optischen Partikelmess-Sensor (7), und einer Steuervorrichtung (6) zum Steuern eines Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors (M), wobei der optische Partikelmess-Sensor (7) zum Bestimmen einer Partikelkonzentration im Abgas und zum Bereitstellen zumindest eines aus der Partikelkonzentration hergeleiteten Partikelkonzentrationssignals für die Steuerungsvorrichtung (6) vorgesehen ist, und wobei die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, ausgehend von dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors (7) direkt das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors (M) zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest einer Verbrennungskammer, zumindest einem Lufteinlassabschnitt zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer, zumindest einem Abgasauslass zum Abführen von Abgas in zumindest einem Abgasrohr, zumindest einem optischen Partikelmess-Sensor, und einer Steuervorrichtung zum Steuern eines Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors.
Heutige Verbrennungsmotoren werden mit dem Ziel entwickelt, mit einer optimalen Leistung bei einem minimalen Brennstoffverbrauch zu arbeiten. Hierbei müssen die Verbrennungsmotoren vorgegebene Emissionsgrenzwerte einhalten.
Um dies zu erreichen, werden hoch-komplexe Motorsteuerungen, insbesondere ein so genanntes Motor-Abgassystem-Management, bereitgestellt, die den Brennstoffverbrauch bei erhöhter Motorleistung senken können, indem die Motorsteuerungen eine Zufuhr von Verbrennungsluft und eine Zufuhr von Brennstoff so steuern, dass eine optimale Verbrennung vorliegt.
Hierzu werden während der Motorenentwicklung mittels unterschiedlichster Sensorik diverse Parameter im Betrieb des Verbrennungsmotors bestimmt, um aus den Parametern ein Motorbetriebskennlinienfeld herzuleiten, anhand dessen die Motorsteuerung den Betrieb des Verbrennungsmotors regelt. Die Parameter können beispielsweise eine Gaspedalwinkelstellung, eine Betriebstemperatur, einen Restsauerstoffgehalt im Abgas, ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis, eine Druckdifferenz zwischen Motoreinlass- und Motorauslassseite oder Ähnliches repräsentieren.
Das hergeleitete Motorbetriebskennlinienfeld ist in der Motorsteuerung hinterlegt, so dass im Fahrbetrieb anhand der gemessenen Sensorsignale ein Abgleich von aktuellen Betriebsdaten des Verbrennungsmotors mit dem Motorbetriebskennlinienfeld durchgeführt werden kann, um entsprechende Steuersignale zu erzeugen, die mittels Regelorgane, wie unter anderem Turbolader, Brennstoffeinspritzung, Abgasrückführklappe, einen optimierten Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglichen.
Mit anderen Worten die Sensorsignale ermöglichen eine Bestimmung einer optimalen Motorbetriebskennlinie aus dem hinterlegten Motorbetriebskennlinienfeld, so dass aus der Motorbetriebskennlinie die geeigneten Steuersignale abgeleitet werden können, mit denen der Verbrennungsmotor in einem optimalen Bereich betrieben werden kann.
Aus DE 101 24 235 B4 ist ein theoretisches Verfahren im Labormaßstab bekannt, das die Art, die Zusammensetzung und/oder die Konzentration von Komponenten motorischer Abgase im Abgasstrang hinter dem Verbrennungsmotor bestimmt, wobei zur Bestimmung eine im Untersuchungsbereich erzeugte Raman-Strahlung detektiert und verwendet wird. Das heißt, die Abgase werden im Wesentlichen mittels aufwändiger optischer Spektroskopieverfahren analysiert, um Messinformation zu erhalten, mit dem der oben beschriebene Betrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt werden kann.
Solch eine beschriebene Motorsteuerung ist hochkomplex bzw. teuer und kann auf Kurzzeiteffekte, wie beispielsweise Instabilitäten der Verbrennung, wechselnde Brennstoffzusammensetzungen oder auch auf Langzeiteffekte, wie beispielsweise Teileverschleiß oder chemische Alterung, nicht schnell genug oder gar nicht reagieren.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, der einen nicht optimalen Betriebszustand schnell ausgleichen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit zumindest einer Verbrennungskammer, zumindest einem Lufteinlassabschnitt zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer, zumindest einem Abgasauslass zum Abführen von Abgas in zumindest einem Abgasrohr, zumindest einem optischen Partikelmess-Sensor, und einer Steuervorrichtung zum Steuern eines Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors, wobei der optische Partikelmess-Sensor zum Bestimmen einer Partikelkonzentration im Abgas und zum Bereitstellen zumindest eines aus der Partikelkonzentration hergeleiteten Partikelkonzentrationssignals für die Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, und wobei die Steuerungsvorrichtung ausgebildet ist, ausgehend von dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors direkt das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors zu verändern.
Damit kann das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors direkt und in Echtzeit entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des Partikelmess-Sensors durch die Steuerungsvorrichtung ohne einen Vergleich mit einem Motorbetriebskennlinienfeld beeinflusst werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Partikelkonzentrationssignal des Partikelmess-Sensors unmittelbar in das Steuersignal zum Steuern des Verbrennungsmotors umgewandelt wird und keine zeitaufwändige und komplizierte Ermittlung des Steuersignals anhand der Motorbetriebskennlinien notwendig ist. In diesem Zusammenhang wird erfindungsgemäß unter Echtzeit verstanden, dass die Verwendung des umgewandelten Partikelkonzentrationssignals zur Steuerung des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors keine nennenswerte Verzögerung des Betriebs des Verbrennungsmotors zur Folge hat.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der optische Partikelmess-Sensor am Abgasauslass oder Abgasrohr, vorzugsweise an einem Abgaskrümmer direkt nach der Verbrennungskammer und/oder vor dem Abgasfiltersystem, angeordnet.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel bestimmt der optische Partikelmess-Sensor die Partikelkonzentration auf Basis eines Partikeldichtemesswerts in Kombination mit einem Durchflussmesswert.
Ferner ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors eine Menge eines rückgeführten Abgases bei einer über einem Normwert liegenden Partikelkonzentration abzusenken oder bei einer unter dem Normwert liegenden Partikelkonzentration die Menge des rückgeführten Abgases zu erhöhen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass eine optimale Verbrennung in den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors erzielbar ist, so dass der Verbrennungsmotor mit optimaler Leistung betrieben werden kann.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors ein Fördervolumen im Lufteinlassabschnitt zu reduzieren oder zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des Partikelmess-Sensors direkt eine Zufuhr des Brennstoffes zu ändern.
Weiterhin ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors direkt die Rückführung des Abgases und/oder das Fördervolumen im Lufteinlassabschnitt und/oder die Zufuhr des Brennstoffes zu ändern. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Motorsteuerung schnell Regelungseingangsgrößen erhält, um den Verbrennungsmotor in Echtzeit in einem optimalen Verbrennungsbereich zu betreiben.
Durch die über die Stellgröße Partikeldichte optimierte Verbrennung nutzt der Verbrennungsmotor den Brennstoff besser aus. In der Folge entstehen weniger Partikel, die dazu führen können, eine Verstopfung eines Abgaspartikelfilters hervorzurufen. Dadurch bleibt ein Druckverlust im Abgassystem geringer und eine Maximalleistung des Verbrennungsmotors bleibt länger verfügbar. Zudem wird eine Betriebsdauer des Abgaspartikelfilters verlängert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der optische Partikelmess-Sensor ein Streulicht-Sensor, der preisgünstig ist, so dass vorteilhafterweise das gesamte System kostengünstig hergestellt werden kann.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
In der 1 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors M gezeigt, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Verbrennungskammern 1 bzw. Zylinder umfasst. Auf einer Einlassseite des Verbrennungsmotors M ist ein Lufteinlassabschnitt 2 vorgesehen, der mit den Verbrennungskammern 1 verbunden ist und zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammern 1 dient.
Vorzugsweise ist in dem Lufteinlassabschnitt 2 zumindest ein Luftverdichter VD vorgesehen, so dass die eingesaugte Luft für eine verbesserte Verbrennung verdichtet werden kann. Vorzugsweise sind die Schaufeln des Luftverdichters VD verstellbar, um der Motorsteuerung bzw. einer Steuerungsvorrichtung 6 die Anpassung einer Fördermenge, eines Luftmengenstroms und eines Luftvordrucks zu ermöglichen.
Auf einer Auslassseite des Verbrennungsmotors M ist ein Abgasauslass 3 vorgesehen, der mit den Verbrennungskammern 1 verbunden ist und zum Abführen von Abgas aus den Verbrennungskammern 1 in zumindest einem Abgasrohr 4 dient. In dem Abgasrohr 4 ist ein nicht dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen, das beispielsweise Katalysatoren, insbesondere sogenannte Dieseloxidationskatalysatoren (DOC-Katalysatoren) oder Selektive-Katalytische-Reduktion-Katalysatoren (SCR-Katalysatoren), oder Partikelfilter umfasst. Zusätzlich ist eine Abgasrückführung 5 mit dem Lufteinlassabschnitt 2 verbunden. Der Abgasauslass 3 umfasst im Sinne der Erfindung einen Krümmer und einen Abschnitt zwischen dem Krümmer und dem Abgasrohr 4, der vor der Abgasrückführung 5 angeordnet ist.
Der Verbrennungsmotor M wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 in seinem Betriebsverhalten gesteuert. Hierzu erhält die Steuerungsvorrichtung 6 Zustandsmessdaten des Verbrennungsmotors M von unterschiedlichen Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren oder Temperatursensoren, so dass die Steuerungsvorrichtung 6 ein optimiertes Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors M auf Basis von hinterlegten Kennlinien von Luft-Brennstoffmengen-Zuführungen oder Zündzeitpunkten in den Verbrennungskammern 1 steuern kann.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein optischer Partikelmess-Sensor 7 vorgesehen, der eine Partikelkonzentration im Abgas bestimmt. Hierbei wird unter Partikelkonzentration erfindungsgemäß ein Anteil von nicht verbranntem Luft-Brennstoffgemisch und insbesondere unvollständig verbrannten Bestandteilen des Luft-Brennstoffgemischs, allgemein hin als Ruß bezeichnet, im Abgas verstanden.
Der optische Partikelmess-Sensor 7 stellt zumindest ein aus der gemessenen Partikelkonzentration im Abgas hergeleitetes Partikelkonzentrationssignal für die Steuervorrichtung 6 zur Verfügung. Das heißt, die Steuervorrichtung 6 leitet direkt aus dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors 7 Steuersignale her, um das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors M direkt in Echtzeit zu verändern, so dass die Partikelkonzentration nahezu gegen Null reduziert wird.
Mit anderen Worten, bestimmt der optische Partikelmess-Sensor 7 einen sehr kleinen Wert an Partikeln im Abgas, der unterhalb eines Schwell- bzw. Schwellenwertes ist, erhält die Steuervorrichtung 6 ein Partikelkonzentrationssignal, das eine optimale Verbrennung wiedergibt, so dass keine Veränderung im Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors M notwendig ist.
Bestimmt der optische Partikelmess-Sensor 7 einen hohen Wert an Partikeln im Abgas, erhält die Steuerungsvorrichtung 6 ein Partikelkonzentrationssignal, das eine unvollständige Verbrennung wiedergibt, so dass die Steuerungsvorrichtung 6 ausgehend von dem Partikelkonzentrationssignal eine Sauerstoffzufuhr am Lufteinlassabschnitt 2 mittels des Luftverdichters VD erhöht und die Abgasrückführung 5 ansteuert, um eine Abgasrückführrate zu verringern, so dass die Verbrennung optimiert wird und die Partikelentstehung in den Verbrennungskammern 1 zurück geht.
Bestimmt der optische Partikelmess-Sensor 7 einen hohen Gradienten von zunächst wenigen Partikeln zu danach zu vielen Partikeln, d.h. eine schnelle Zunahme von Partikeln im Abgas, erhält die Steuerungsvorrichtung 6 ein Partikelkonzentrationssignal, das eine sich schnell verändernde unvollständige Verbrennung wiedergibt, so dass die Steuervorrichtung 6 anhand des Partikelkonzentrationssignals beispielsweise ein nicht dargestelltes Brennstoffeinspritzsystem ansteuert, um eine schnelle Absenkung eines Einspritzdrucks des Brennstoffs einzuleiten, und einen Druck des Luftverdichters VD steigert, um die Sauerstoffzufuhr am Lufteinlassabschnitt 2 zu erhöhen.
Ferner steuert die Steuervorrichtung 6 auf Basis des Partikelkonzentrationssignals die Abgasrückführung 5 an, um die Abgasrückführrate zu verringern. Durch die abgestimmten Maßnahmen ausgehend von dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors 7 wird die unvollständige Verbrennung im Verbrennungsmotor M in Richtung einer optimalen Verbrennung ausgeglichen und die Partikelentstehung deutlich reduziert.
Bestimmt der optische Partikelmess-Sensor 7 einen hohen Gradienten von vielen Partikeln zu sehr wenigen Partikeln, d.h. eine schnelle Abnahme von Partikeln im Abgas, erhält die Steuerungsvorrichtung 6 ein Partikelkonzentrationssignal, das eine sich schnell verändernde vollständige Verbrennung hin zu zu mageren Gemischen mit möglicherweise zu hohem Sauerstoffüberschuss wiedergibt, so dass die Steuervorrichtung 6 anhand des Partikelkonzentrationssignals beispielsweise eine Reduzierung des Druckes des Luftverdichters VD einleitet und die Abgasrückführung 5 ansteuert, um die Abgasrückführrate zu erhöhen. Dadurch kann bei minimiertem Brennstoffverbrauch die optimale Leistung des Verbrennungsmotors M eingeregelt werden.
Hierbei können der Verbrauch von Brennstoff und von Abgasreinigungshilfsstoffen, beispielsweise Harnstofflösung, sogenanntes AdBlue, reduziert und die Lebensdauer des Abgasreinigungssystems verlängert werden. Zusätzlich ist anhand des auf der Partikelkonzentration im Abgas basierenden Partikelkonzentrationssignals die Steuervorrichtung 6 in der Lage, schnell das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors M zu verändern, so dass Kurzzeiteffekte, wie Instabilität der Verbrennung, oder auch Langzeiteffekte, wie Teileverschleiß oder chemische Alterung, besser kompensiert werden können.
Vorteilhafterweise ist der optische Partikelmess-Sensor 7 am Abgasrohr 4 angeordnet. Vorzugsweise ist der optische Partikelmess-Sensor 7 an dem Krümmer direkt nach den Verbrennungskammern 1 angeordnet, wobei der optische Partikelmess-Sensor 7 oder ein weiterer optischer Partikelmess-Sensor 7 vor einem Abgasfiltersystem vorgesehen sein kann.
Hierbei bestimmt der optische Partikelmess-Sensor 7, der insbesondere ein Streulicht-Sensor sein kann, die Partikelkonzentration im Abgas auf Basis einer extrem schnellen Messmethode. Das heißt, eine Echtzeitanalyse der Partikelkonzentration im Abgas durch den optischen Partikelmess-Sensor 7 ermöglicht der Steuerungsvorrichtung 6, ein verbessertes Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors M schnell herbeizuführen. Ein Abgleich der aktuellen Betriebsdaten des Verbrennungsmotors M mit einem Kennlinienfeld zum Zweck der Verbrennungsoptimierung entfällt somit.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskammer
2: Lufteinlassabschnitt
3: Abgasauslass
4: Abgasrohr
5: Abgasrückführung
6: Steuerungsvorrichtung
7: Partikelmess-Sensor
M: Verbrennungsmotor
VD: Luftverdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10124235 B4 [0007]

Claims

Verbrennungsmotor (M) mit zumindest einer Verbrennungskammer (1), zumindest einem Lufteinlassabschnitt (2) zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer (1), zumindest einem Abgasauslass (3) zum Abführen von Abgas in zumindest ein Abgasrohr (4), zumindest einem optischen Partikelmess-Sensor (7), und einer Steuervorrichtung (6) zum Steuern eines Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors (M), wobei der optische Partikelmess-Sensor (7) zum Bestimmen einer Partikelkonzentration im Abgas und zum Bereitstellen zumindest eines aus der Partikelkonzentration hergeleiteten Partikelkonzentrationssignals für die Steuerungsvorrichtung (6) vorgesehen ist, und wobei die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, ausgehend von dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors (7) direkt das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors (M) zu verändern.
Verbrennungsmotor (M) nach Anspruch 1, wobei der optische Partikelmess-Sensor (7) am Abgasauslass (3) oder Abgasrohr (4), vorzugsweise an einem Abgaskrümmer direkt nach der Verbrennungskammer (1) und/oder vor dem Abgasfiltersystem, angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Partikelmess-Sensor (7) die Partikelkonzentration auf Basis eines Partikeldichtemesswerts in Kombination mit einem Durchflussmesswert bestimmt.
Verbrennungsmotor (M) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors (7) eine Menge eines rückgeführten Abgases bei einer über einem Normwert liegenden Partikelkonzentration abzusenken oder bei einer unter dem Normwert liegenden Partikelkonzentration die Menge des rückgeführten Abgases zu erhöhen.
Verbrennungsmotor (M) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des optischen Partikelmess-Sensors (7) ein Fördervolumen der Luft im Lufteinlassabschnitt (2) zu reduzieren oder zu erhöhen.
Verbrennungsmotor (M) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des Partikelmess-Sensors (7) direkt eine Zufuhr eines Brennstoffes zu ändern.
Verbrennungsmotor (M) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des Partikelmess-Sensors (7) direkt die Rückführung des Abgases und/oder das Fördervolumen der Luft im Lufteinlassabschnitt (2) und/oder die Zufuhr des Brennstoffes im Sinne einer optimierten Verbrennung zu ändern.
Verbrennungsmotor (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Partikelmess-Sensor (7) ein Streulicht-Sensor ist.
Verbrennungsmotor (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die direkte Änderung des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors (M) entsprechend dem Partikelkonzentrationssignal des Partikelmess-Sensors (7) durch die Steuerungsvorrichtung (6) in Echtzeit ohne einen Vergleich mit einem Motorbetriebskennlinienfeld durchführbar ist.