EP4409125A1 - Ottomotor - Google Patents

Ottomotor

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Publication number
EP4409125A1
EP4409125A1 EP22797374.0A EP22797374A EP4409125A1 EP 4409125 A1 EP4409125 A1 EP 4409125A1 EP 22797374 A EP22797374 A EP 22797374A EP 4409125 A1 EP4409125 A1 EP 4409125A1
Authority
EP
European Patent Office
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fuel
combustion process
controlling
engine
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22797374.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Sohl
Inès Adler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Me Energy GmbH
Original Assignee
Me Energy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Me Energy GmbH filed Critical Me Energy GmbH
Publication of EP4409125A1 publication Critical patent/EP4409125A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • F02D19/082—Premixed fuels, i.e. emulsions or blends
    • F02D19/084—Blends of gasoline and alcohols, e.g. E85
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D19/082—Premixed fuels, i.e. emulsions or blends
    • F02D19/085—Control based on the fuel type or composition
    • F02D19/087—Control based on the fuel type or composition with determination of densities, viscosities, composition, concentration or mixture ratios of fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D29/06—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
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    • F02D37/00—Non-electrical conjoint control of two or more functions of engines, not otherwise provided for
    • F02D37/02—Non-electrical conjoint control of two or more functions of engines, not otherwise provided for one of the functions being ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/15—Digital data processing
    • F02P5/152—Digital data processing dependent on pinking
    • F02P5/1527—Digital data processing dependent on pinking with means allowing burning of two or more fuels, e.g. super or normal, premium or regular
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    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/0611—Fuel type, fuel composition or fuel quality

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a combustion process in an internal combustion engine, the internal combustion engine being operable with a first type of fuel and a second type of fuel or with a fuel mixture of the first and at least the second type of fuel, the internal combustion engine having a fuel sensor unit for determining the type of fuel and having a control unit for setting an operating parameter, with the method steps of determining the types of fuel contained in the fuel using the fuel sensor unit and adjusting an operating parameter of the combustion process.
  • the invention also relates to a device for controlling the combustion process of a multiple-fuel gasoline engine and an engine unit.
  • Internal combustion engines based on Otto engines are usually operated with fuel from fossil fuels based on refined petroleum. Alkanols produced from renewable raw materials, such as ethanol or methanol, are increasingly being added to this fuel in various mixing ratios. In the USA and Europe, for example, a mixture of 75-85% ethanol and 15-25% gasoline is used under the brand name E85. Internal combustion engines of this type are designed in such a way that they can be operated both with pure petrol and with mixtures up to E85; concepts are also known according to which the internal combustion engine can be operated up to water-containing E100.
  • the alkanols used have a different, higher octane number than conventional gasoline, so an internal combustion engine designed for gasoline fuel cannot be operated without adjustments with a fuel that has a significant proportion of alkanols.
  • Document DE 10 2008 010 555 A1 presents a method for controlling an internal combustion engine, in which the internal combustion engine has a fuel sensor for determining fuel properties, a fuel metering device, a device for determining the amount of air supplied and an exhaust gas probe in an exhaust gas duct.
  • a protic fuel coefficient is determined from a signal from the fuel sensor, that an oxygen demand coefficient is determined from the air quantity supplied to the internal combustion engine, the fuel quantity supplied and the signal from the exhaust gas probe, and that from the protic fuel coefficient and the oxygen demand coefficient pairs of coefficients are formed.
  • Control parameters for the internal combustion engine are derived from these pairs of coefficients. This allows the amount of fuel supplied, the ignition point, the fuel preheating, the control position and the exhaust gas recirculation to be controlled. With the method presented here, in particular, parameters of the internal combustion engine for exhaust gas cleaning and aftertreatment are controlled.
  • Document DE 10 2008 035 251 A1 shows a flexible fuel internal combustion engine using impulse charging technology.
  • a fast-acting impulse valve with essentially two positions is arranged.
  • the internal combustion engine includes a fuel sensor that determines the type of fuel currently being fed to the engine, e.g., either gasoline or E85. Based on this determination, impulse charging becomes inactive (if gasoline is detected) or active (if E85 is detected).
  • a speed or torque sensor is also used to determine if the impulse charge is producing a delivery rate that is more closely matched to fuel octane properties.
  • DE 10 2009 011 854 A1 discloses an engine control system for an Otto engine, which is designed for a mixture of ethanol and gasoline.
  • the engine control system includes a fuel injector that injects a mixture of ethanol and gasoline directly into a combustion chamber of a direct injection gasoline (SI DI) engine.
  • SI DI direct injection gasoline
  • a control module controls a start of an injection of the fuel injector such that the start of the Injection takes place more than 335 crank angle degrees before a top dead center of a compression stroke of the engine.
  • Document DE 10 2015 221 847 A1 shows a reciprocating internal combustion engine that can be operated with a fuel mixture consisting of ethanol and gasoline, preferably E85.
  • the engine is equipped with VCR actuators (VCR: Variable Compression Ratio), which enable variable adjustment of a compression ratio of combustion chambers of the internal combustion engine.
  • VCR actuators VCR: Variable Compression Ratio
  • the internal combustion engines presented here and their controls are designed for a fuel that essentially contains gasoline and ethanol. E85 fuel is preferred. Fuel that contains, in addition to gasoline, methanol and/or ethanol in significant variable proportions is not used.
  • the internal combustion engine can be operated with a first type of fuel and a second type of fuel or with a fuel mixture of the first and at least the second type of fuel.
  • the internal combustion engine has a fuel sensor unit for determining the type of fuel and a controller for setting an operating parameter.
  • the inventive method for controlling a combustion process in a Internal combustion engine has two method steps: In the first method step, the types of fuel contained in the fuel are determined with the fuel sensor unit.
  • the internal combustion engine is preferably an Otto engine with spark ignition.
  • the internal combustion engine has an exhaust gas catalytic converter controlled by a lambda probe. Types of fuel within the meaning of this document are gasoline, ethanol and methanol.
  • an operating parameter of the combustion process is adjusted.
  • the fuel sensor unit is used to determine the current fuel composition before the injection time and the current exhaust gas composition, i.e. the oxygen partial pressure in the exhaust gas and forwarded to the control electronics of the internal combustion engine.
  • the method according to the invention enables an internal combustion engine to be operated with two different fuels or a mixture of two different types of fuel, without the user having to make any settings on the internal combustion engine.
  • the type of fuel or fuels is determined by means of the fuel sensor unit and an operating parameter of the combustion process of the internal combustion engine is automatically adjusted.
  • the fuel sensor unit directs the fuel vapors through a membrane. Due to the different sizes of the methanol, ethanol and petrol molecules, the small methanol molecules first reach a highly sensitive alcohol sensor, which is made up of tin oxide nanoparticles mixed with palladium, for example. This is followed by the ethanol Molecules and lastly the gasoline molecules.
  • the membrane can be a porous polymer, for example. Several membranes with different porosities can also be used.
  • the fuel sensor unit comprises two sensors.
  • the first sensor is a sensor that determines the ratio between a first and a second type of fuel.
  • the second sensor of the fuel sensor unit determines, for example, the ratio of the first and the third type of fuel and/or the ratio of the second and the third type of fuel or the absolute concentrations of the types of fuel present.
  • a knock sensor can also be used as fuel sensors within the meaning of the invention.
  • an embedded technology solution using a MOEMS device Micro Opto-Electro-Mechanical Sensor
  • This optical measurement method can be used to determine many fuel characteristics, including density, heating value, cetane and octane number, sulfur content, viscosity and more.
  • any other known sensor that can distinguish between two types of fuel can be used.
  • the internal combustion engine can be operated with a third type of fuel or with a fuel mixture of the first, second and/or third type of fuel.
  • the fuel sensor unit determines the types of fuel contained in the fuel, on the basis of which an operating parameter of the combustion process is adjusted.
  • the types of fuel include gasoline, ethanol and/or methanol. All of these three fuels are available, long established and safe to use handle. Ethanol and methanol can also be produced in a climate-neutral manner from renewable raw materials.
  • the fuel sensor unit in addition to the types of fuel contained in the fuel, is used to determine the concentrations in the types of fuel contained in the fuel. In addition to determining the type of fuel, the respective proportion or the concentration of the respective fuel type in the fuel is determined.
  • the operating parameter is changed to a value assigned to the determined fuel type and/or composition. Due to the different chemical and physical properties of the fuel types, the operating parameters of the combustion process are adjusted.
  • the changed operating parameter includes the injection quantity of the fuel mixture.
  • the current fuel composition before the injection time and the current exhaust gas composition, ie the oxygen partial pressure in the exhaust gas, are determined by means of the fuel sensor unit and forwarded to the control electronics of the internal combustion engine.
  • the combustion of the internal combustion engine is optimized on the basis of the composition of the fuel mixture determined in this way, in particular by setting the most favorable air/fuel ratio.
  • the changed operating parameter includes the center of combustion and/or the ignition point.
  • the center of combustion is the point in time at which 50% of the fuel mass used has been burned.
  • the center of combustion is around 5° to 8° crank angle (CA) after top dead center (TDC) of the piston.
  • CA crank angle
  • TDC top dead center
  • the fuel-air mixture must therefore be ignited before TDC.
  • the changed operating parameter includes the compression ratio during the combustion process.
  • the three types of fuel to be used (petrol, methanol, ethanol) have different octane ratings. In order to achieve optimal efficiency of the Otto engine, the compression ratio is adjusted in such a way that the compression ratio is as high as possible and at the same time knocking is avoided.
  • the compression ratio is set in such a way that the Otto engine can be operated closer to the knock limit even with changing types of fuel. As a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be increased.
  • a knock sensor for example, is used for this purpose.
  • the device according to the invention for controlling the combustion process of a multiple-fuel gasoline engine has a control unit for controlling one or more Operating parameters of the combustion process and a fuel sensor unit.
  • the fuel sensor unit is intended and suitable for determining the types of fuel that make up the fuel.
  • the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between different types of alcohol.
  • the combustion of the internal combustion engine is optimized on the basis of the determined composition of the fuel mixture.
  • the device according to the invention for controlling the combustion process makes it possible to operate an internal combustion engine with two different types of fuel or a mixture of two different types of fuel without a user having to make settings on the internal combustion engine.
  • the type of fuel or fuels is determined by means of the fuel sensor unit and an operating parameter of the combustion process of the internal combustion engine is automatically adjusted.
  • the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between gasoline and alkanols.
  • Gasoline and the alkanols to be used have different octane numbers. Due to the different chemical and physical properties of the fuel types, the operating parameters of the combustion process are adjusted.
  • the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between ethanol and methanol.
  • Both alkanols have different chemical and physical properties, e.g. vapor pressures.
  • vapor pressures For optimal operation of an Otto engine, its operating parameters must be set accordingly.
  • the fuel sensor unit is provided and suitable for determining proportions of the determined fuel components.
  • the respective proportion or the concentration of the respective fuel type in the fuel is determined.
  • the fuel sensor unit is provided and suitable for determining proportions of ethanol and/or methanol. Both alkanols have different chemical and physical properties, such as vapor pressures. For optimal operation of an Otto engine, its operating parameters must be set accordingly.
  • control unit is provided for controlling one or more operating parameters of the combustion process and is suitable for changing the injected quantity of fuel depending on the determined fuel type and/or fuel composition.
  • the current fuel composition before the injection time and the current exhaust gas composition, ie the oxygen partial pressure in the exhaust gas, are determined by means of the fuel sensor unit and forwarded to the control electronics of the internal combustion engine.
  • the combustion of the internal combustion engine is optimized on the basis of the composition of the fuel mixture determined in this way, in particular by setting the most favorable air/fuel ratio.
  • control unit is intended to control one or more parameters of the combustion process and is suitable for changing the compression ratio depending on the determined type of fuel and/or fuel composition.
  • the compression ratio specifies a ratio between a maximum volume of the combustion chamber and a minimum volume of the combustion chamber during a power stroke of the internal combustion engine.
  • the compression ratio can be variably adjusted by suitable so-called VCR controllers.
  • VCR controllers In particular, when the methanol content is high, there is high knock resistance, which makes it possible to set a high compression ratio without knocking occurring.
  • a lower compression ratio must be set in order to prevent knocking of the combustion engine avoid. This is set, for example, via a knock sensor and automatically optimized.
  • control unit is provided for controlling one or more parameters of the combustion process and is suitable for changing the center of combustion depending on the determined fuel type and/or fuel composition.
  • the center of combustion is the point in time at which 50% of the fuel mass used has been burned.
  • the center of combustion is around 5° to 8° CA after top dead center (TDC) of the piston.
  • TDC top dead center
  • the engine unit according to the invention has an internal combustion engine which is designed as a piston engine with reciprocating pistons and a combustion chamber.
  • the motor assembly also has a fuel injector, via which a fuel mixture can be injected into the combustion chamber.
  • the fuel injector can optionally be designed as an intake manifold unit.
  • the motor unit has an ignition device for igniting the fuel mixture in the combustion chamber.
  • the engine unit also has a control unit for controlling one or more parameters of the combustion process in the internal combustion engine and a fuel sensor unit and optionally a knock sensor, which is provided and suitable for determining the types of fuel that make up the fuel.
  • the fuel sensor unit is provided and suitable for distinguishing between different types of alcohol.
  • the object according to the invention is also achieved by a method for changing the compression ratio of a combustion process in an internal combustion engine with the method steps analysis of the fuel composition of the fuel mixture used to operate the internal combustion engine, detection of a changed fuel composition of the fuel mixture compared to the previous operation, change in the compression ratio compared to the compression ratio during the previous operation.
  • both the components of the fuel and their proportion in the fuel mixture are determined. While only the alcohol content of the fuel is determined in the known methods, the advantage here is that the compression ratio can also be adjusted as a function of the type of alcohol contained in the fuel mixture. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
  • the injection quantity at lambda 1 and/or the position of the
  • the compression ratio is adjusted by changing the charging pressure of an exhaust gas turbocharger or VCR system.
  • the compression ratio and/or the position of the center of combustion are also changed. This has the advantage of further increasing performance and reducing consumption.
  • the object of the invention is also achieved by a method for changing the position of the center of combustion of a combustion process in an internal combustion engine with the method steps analysis of the fuel composition of the fuel mixture used to operate the internal combustion engine, detection of a changed fuel composition of the fuel mixture compared to previous operation, changing the position of the center of combustion in the Comparison to the position of the center of combustion in the previous operation.
  • This has the advantage that the operating parameters of the internal combustion engine can be optimally adjusted to the fuel composition and the performance can thus be improved and consumption reduced.
  • both the components of the fuel and their proportion in the fuel mixture are determined.
  • the advantage here is that the position of the center of combustion can also be adjusted as a function of the type of alcohol contained in the fuel mixture. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
  • a knock sensor is installed.
  • the evaluation of its data allows the center of combustion to be set with pinpoint accuracy at the knock limit. In this way, using the advantages already known in the prior art, consumption can be further reduced and performance further increased.
  • a further solution to the problem of the invention is to provide an internal combustion engine which operates with high efficiency using CCh-neutral, non-lubricating fuels without emitting any significant nitrogen oxides.
  • the internal combustion engine will be used in a generator-like operation for the purpose of decentralized power generation within a new type of self-sufficient fast charging station, which can charge electric vehicles regardless of location with an output of up to 250 kW or more.
  • This innovative product makes a significant contribution to covering the demand for needs-based charging solutions at every location and thus enabling electromobility across the board.
  • NH3 formation can result from sub-stoichiometric combustion of ethanol.
  • This unit is therefore equipped with 2 lambda probes (before and after the catalytic converter) for checking purposes possible NH3 slip.
  • a downstream slip catalytic converter with a high platinum coating is installed for the effective oxidation of NH3.
  • an efficiency of the combustion process of 42% can be achieved. This clearly surpasses the efficiency of petrol engine (20 - 28%) and typical diesel combustion (33%).
  • the aim is to undercut the emission limit values of the NOx mass in the exhaust gas flow of 0.4 g/kWh by at least 30% and the particle mass of 15 mg/kWh and particle number of 10 12 /kWh by 50% each (stage 5 engine class NRE -c-6, EU Regulation 2016/1628).
  • the innovative approach consists of converting a diesel engine designed for trucks into an Otto engine. Stoichiometric combustion can only be achieved with the Otto engine combustion process. This is the prerequisite for using a three-way catalytic converter, which is necessary to reduce emissions. In this way, nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with high efficiency.
  • spark plugs and a new injection system are integrated.
  • the fuel injection into the intake manifold is precisely calculated and designed, specifically the adjustment of the nozzles in order to achieve the desired operating point.
  • the ice injection nozzles are our own constructions, which are optimized for large passages and installed in an upward direction to avoid vapor formation in the fuel. The first thing that escapes when you open it is the steam. Therefore no misfires occur.
  • a high compression factor of 12 to 18 is necessary.
  • a throttle valve is also installed to regulate the power of the engine. In order to avoid the redesign of the camshafts, the diesel control times are used.
  • the engine is operated at a typical diesel speed of 1300 rpm to 1800 rpm to ensure the right generator speed. In the case of Otto engine internal combustion engines, however, this speed does not provide sufficient power for fast charging of electric vehicles. For this reason, for example, the engine must be charged using a turbocharger to between 1.8 and 2 bar overpressure, which enables a torque of 1750 Nm and an output of 230 kW. Under the given boundary conditions (230 kW output, 1500 rpm speed, 8.8 l cubic capacity), the medium pressure to be expected in the cylinder interior is approx. 20.9 bar at full load. Conventional car engines cannot withstand this high pressure, which is why an engine for trucks is used here. The engine achieves the performance of a petrol engine at the typical diesel speed and medium pressure and emits correspondingly harmless exhaust gases.
  • the motor will initially be used as a subsystem in our self-sufficient fast charging station.
  • the engine is also used in a power generator. Since there are no CCh-neutral power generators in this performance class without emission of particles or NOx, this is also a new product.
  • Fig. 1 Engine unit
  • the engine assembly 10 includes a cylinder 14 in which a reciprocating piston 16 is disposed.
  • An intake valve 18 periodically opens to allow intake air through to admit the air inlet 86 into the cylinder 14 .
  • the fuel injector 62 atomizes the fuel directly into the combustion chamber 34 of the cylinder 14 .
  • the intake valve 18 opens during the intake stroke to admit combustion air into the combustion chamber 34 .
  • An exhaust valve 20 opens periodically to allow exhaust gas to escape from the cylinder 14 via the exhaust outlet 88 .
  • the exhaust drives a turbine 82 on the outlet side of an exhaust gas turbocharger.
  • the turbine on the outlet side 82 is rigidly connected to a turbine of the exhaust gas turbocharger on the inlet side 84 .
  • the exhaust gas turbocharger is constructed in such a way that it has a variable turbine geometry.
  • intake valve 18 and exhaust valve 20 The opening and closing of intake valve 18 and exhaust valve 20 is controlled by associated intake 22 and exhaust 24 cam lobes.
  • the intake cam lobe 22 and the exhaust cam lobe 24 rotate together with a camshaft 26.
  • the camshaft 26 has a lobe 38 that drives a mechanical fuel pump 30.
  • a camshaft pulley 32 drives the camshaft 26 .
  • the reciprocating piston 16 drives a crankshaft 40 via the connecting rod 28 .
  • a crankshaft gear 42 rotates with the crankshaft 40.
  • the crankshaft gear 42 drives the camshaft pulley 32 via a belt or chain 44.
  • a crankshaft position target ring 50 is also attached to the crankshaft 40 .
  • Either gasoline, methanol, ethanol or a mixture of gasoline, methanol and/or ethanol is used to operate the engine unit 10 .
  • the fuel is pumped from the tank 70 via a fuel line 72 to the fuel injector 62 with the aid of the fuel pump 30 . Due to the different chemical and physical properties of the types of fuel mentioned, different operating parameters of the combustion process of the engine assembly 10 are required.
  • Motor unit 10 has two process steps: In the first step is with the fuel sensor unit 68 determines the types of fuel (gasoline, ethanol, methanol) contained in the fuel. In addition, the concentration of the types of fuel contained in the fuel is determined. In the second method step, one or more operating parameters of the combustion process are adjusted.
  • the fuel sensor unit 68 determines the types of fuel (gasoline, ethanol, methanol) contained in the fuel. In addition, the concentration of the types of fuel contained in the fuel is determined.
  • the second method step one or more operating parameters of the combustion process are adjusted.
  • the control unit 12 generates output signals that control an electric fuel pump 60 and a fuel injector 62 in such a way that the injected quantity of fuel is adjusted depending on the types of fuel contained in the fuel.
  • the controller 12 also receives one or more signals from an oxygen sensor 66.
  • the oxygen sensor 66 is indicative of the oxygen content of the engine exhaust.
  • the engine unit 10 has an exhaust gas turbocharger.
  • the turbocharger On the outlet side 82, the turbocharger has the exhaust gas turbine, which is rotated by the energy of the exhaust gases emitted.
  • the exhaust gas turbine 82 is connected via a rigid shaft to the compressor on the inlet side 84, which compresses the intake air of the engine.
  • the exhaust gas turbocharger has a variable turbine geometry, realized e.g. by adjustable guide vanes of the exhaust gas turbine 82.
  • the control unit 12 controls the adjustable air vanes of the exhaust gas turbine 82 in such a way that the boost pressure is adjusted depending on the composition of the fuel.
  • VCR Variable Compression Ratio
  • the compression ratio is adjusted by means of the control unit 12 essentially so that it is as large as possible, but knocking of the engine assembly 10 is avoided.
  • the compression ratio can also be adjusted by changing the boost pressure of the exhaust gas turbocharger.
  • a crankshaft position sensor 64 generates a crankshaft position signal based on a position of the crankshaft position target ring 50.
  • the crankshaft position signal represents crank angle degrees with respect to a predetermined reference point.
  • the crankshaft position sensor 64 forwards the signal to the control unit 12 .
  • the control unit 12 controls the spark plug 36 in such a way that the center of combustion is changed depending on the determined fuel type and/or fuel composition.
  • the center of combustion is the point in time at which 50% of the fuel mass used has been burned.
  • the center of combustion is around 5° to 8° CA after top dead center (TDC) of piston 16.
  • TDC top dead center
  • gasoline gasoline 100
  • the ignition timing is 20° before TDC, the compression ratio is 11:1.
  • the boost pressure is set at 1.5 to 2 bar.
  • methanol In contrast, 100% methanol (MethanoHOO) has the lowest carbon content per unit volume, while at the same time having the highest knock resistance.
  • the boost pressure can be up to 3 bar, the ignition point is 10° before TDC.
  • ethanol 100% ethanol (Ethanol 100) has a carbon content per unit volume between gasolinelOO and methanoHOO.
  • the ignition timing is 5° before TDC, the compression ratio is 11:1.
  • the charge pressure is set at 1.5 to 2 bar.
  • the ignition point is 13.75° before TDC, the compression ratio is 12.75:1.
  • the boost pressure is set at 1.6 to 2.25 bar.
  • the ignition point is 19.25° before TDC, the compression ratio is 11 : 1.
  • the boost pressure is at 1.5 to 2 bar set.
  • the ignition point is 18.5° before TDC, the compression ratio is 11 : 1.
  • the Boost pressure is set at 1.5 to 2 bar.
  • the ignition point is 7.25° before TDC, the compression ratio is 11 : 1.
  • the charge pressure is increased also set at 1.5 to 2 bar.
  • the ethanol molecules are first separated from the fuel mixture by a membrane made of a porous polymer and then analyzed using a known alcohol sensor. The remaining fuel mixture is then converted through a second membrane into methanol and Gasoline molecules separated from each other and also analyzed using a commercially available fuel sensor. In this way it can be determined which types of fuel are present in the fuel mixture and the proportions of the individual types of fuel in the fuel mixture.
  • the fuel mixture is first analyzed using a known fuel sensor.
  • the ethanol is then separated off by a membrane made of a porous polymer and the remaining fuel mixture is analyzed again.
  • the proportions of the components contained in the fuel mixture can be determined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffsensoreinheit zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuereinheit zur Einstellung eines Betriebsparameters aufweist, mit den Verfahrensschritten Ermittlung der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit Anpassen eines Betriebsparameters des Verbrennungsprozesses. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotors und ein Motoraggregat.

Description

O TT O M O TO R
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffsensoreinheit zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuereinheit zur Einstellung eines Betriebsparameters aufweist, mit den Verfahrensschritten Ermittlung der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit Anpassen eines Betriebsparameters des Verbrennungsprozesses. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotors und ein Motoraggregat.
Stand der Technik
Brennkraftmaschinen auf der Basis von Otto-Motoren werden üblicherweise mit Kraftstoff aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugte Alkanole, beispielsweise Ethanol oder Methanol, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen beigemengt. In den USA und Europa wird z.B. eine Mischung aus 75-85% Ethanol und 15-25% Benzin unter dem Markennamen E85 eingesetzt. Derartige Brennkraftmaschinen sind so ausgelegt, dass sie sowohl mit reinem Benzin als auch mit Mischungen bis hin zu E85 betrieben werden können; es sind auch Konzepte bekannt, nach denen die Brennkraftmaschine bis hin zu wasserhaltigem E100 betreibbar ist. Die zur Verwendung kommenden Alkanole weisen eine andere, höhere Oktanzahl als herkömmliches Benzin auf, eine auf Benzinkraftstoff ausgelegte Brennkraftmaschine kann daher nicht ohne Anpassungen mit einem Kraftstoff betrieben werden, der einen signifikanten Anteil an Alkanolen aufweist. Die Schrift DE 10 2008 010 555 A1 stellt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine vor, bei dem die Brennkraftmaschine einen Kraftstoffsensor zur Bestimmung von Kraftstoffeigenschaften, eine Kraftstoff-Dosiereinrichtung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der zugeführten Luftmenge und eine Abgassonde in einem Abgaskanal aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass aus einem Signal des Kraftstoffsensors ein protischer Kraftstoffbeiwert bestimmt wird, dass aus der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmenge, der zugeführten Kraftstoffmenge und dem Signal der Abgassonde ein Sauerstoffbedarf-Beiwert bestimmt wird und dass aus dem protischen Kraftstoffbeiwert und dem Sauerstoffbedarf-Beiwert Beiwertpaare gebildet werden. Aus diesen Beiwertpaaren werden Steuerungsparameter für die Brennkraftmaschine abgeleitet. Dadurch können die zugeführte Kraftstoffmenge, der Zündzeitpunkt, die Kraftstoffvorwärmung, die Regellage und die Abgasrückführung gesteuert werden. Mit dem hier vorgestellten Verfahren werden insbesondere Parameter der Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung und -nachbehandlung gesteuert.
Die Schrift DE 10 2008 035 251 A1 zeigt einen Verbrennungsmotor für flexiblen Kraftstoff, der die Impulsladungstechnologie nutzt. Hier ist in jeder Einlassleitung zwischen der üblichen Luftzufuhr und dem herkömmlichen Einlassventil ein schnell arbeitendes Impulsventil mit im Wesentlichen zwei Stellungen angeordnet. Der Verbrennungsmotor enthält einen Kraftstoffsensor, der den Typ des Kraftstoffs, der dem Motor gegenwärtig zugeführt wird, z.B. entweder Benzin oder E85, bestimmt. Auf der Grundlage dieser Bestimmung wird die Impulsladung inaktiv (falls Benzin erfasst wird) oder aktiv (falls E85 erfasst wird). Außerdem wird ein Drehzahl- oder Drehmomentsensor genutzt, um zu bestimmen, ob die Impulsladung einen Liefergrad erzeugt, der besser an die Kraftstoffoktaneigenschaften angepasst ist.
DE 10 2009 011 854 A1 offenbart ein Motorsteuersystem für einen Otto-Motor, der für ein Gemisch aus Ethanol und Benzin ausgelegt ist. Das Motorsteuersystem umfasst einen Kraftstoffinjektor, der ein Gemisch aus Ethanol und Benzin direkt in eine Brennkammer eines Benzinmotors mit Direkteinspritzung (Sl Dl-Motor) einspritzt. Ein Steuermodul steuert einen Beginn einer Einspritzung des Kraftstoffinjektors derart, dass der Beginn der Einspritzung mehr als 335 Kurbelwinkelgrade vor einem oberen Totpunkt eines Verdichtungshubes des Motors erfolgt.
Die Schrift DE 10 2015 221 847 A1 zeigt einen Hubkolben-Verbrennungsmotor, der mit einem Kraftstoffgemisch bestehend aus Ethanol und Benzin, vorzugsweise E85, betreibbar ist. Der Motor ist mit VCR-Stellern (VCR: Variable Compression Ratio) ausgestattet, die eine variable Anpassung eines Verdichtungsverhältnisses von Brennräumen des Verbrennungsmotors ermöglichen.
Die hier vorgestellten Brennkraftmaschinen und deren Steuerungen sind auf einen Kraftstoff ausgerichtet, der im Wesentlichen Benzin und Ethanol enthält. Bevorzugt wird der Kraftstoff E85. Kraftstoff, der neben Benzin Methanol und/oder Ethanol in wesentlichen veränderlichen Anteilen enthält, wird nicht verwendet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem eine Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen betreibbar ist. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein Motoraggregat bereitzustellen, das mit unterschiedlichen Kraftstoffen betreibbar ist.
Die genannte Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 dargelegt.
Die Brennkraftmaschine ist mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar. Die Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffsensoreinheit zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuerung zur Einstellung eines Betriebsparameters auf. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine weist zwei Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird mit der Kraftstoffsensoreinheit die in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt ein Otto-Motor mit einer Fremdzündung. Zur Abgasreinigung weist die Brennkraftmaschine einen Abgas-Katalysator gesteuert durch eine Lambda-Sonde auf. Kraftstoffarten im Sinne dieser Schrift sind Benzin, Ethanol und Methanol.
Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst. Der Betriebsparameter ist z.B. die Zusammensetzung des Kraftstoffgasgemisches, speziell die Menge des Kraftstoffs zur Einstellung eines Luft- /Kraftstoffverhältnisses für Lambda = 1. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff-Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weitergeleitet. Auf Basis der so ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, hier Lambda=1 , optimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen oder einem Gemisch zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten, ohne dass ein Nutzer Einstellungen an der Brennkraftmaschine vornehmen muss. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit wird die Art des bzw. der Kraftstoffe ermittelt und ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine automatisch angepasst.
In einer Weiterführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung leitet die Kraftstoffsensoreinheit die Kraftstoffdämpfe durch eine Membran. Infolge der unterschiedlichen Größe der Methanol-, Ethanol- und Benzinmoleküle gelangen zunächst die kleinen Methanol-Moleküle zu einem hochempfindlichen Alkohol-Sensor, der beispielsweise aus mit Palladium versetzten Zinnoxid-Nanopartikeln aufgebaut ist. Im Anschluss daran folgen die Ethanol- Moleküle und zuletzt die Benzinmoleküle. Die Membran kann beispielsweise ein poröses Polymer sein. Es können auch mehrere Membranen mit unterschiedlicher Porosität verwendet werden.
Die Kraftstoffsensoreinheit umfasst in einer optionalen Ausgestaltung der Erfindung zwei Sensoren. In einer Weiterbildung ist der erste Sensor ein Sensor der das Verhältnis zwischen einer ersten und einer zweiten Kraftstoffart bestimmt. Der zweite Sensor der Kraftstoffsensoreinheit bestimmt beispielsweise das Verhältnis der ersten und der dritten Kraftstoffart und/oder das Verhältnis der zweiten und der dritten Kraftstoffart oder die absoluten Konzentrationen der vorliegenden Kraftstoffarten.
Als Kraftstoffsensoren im Sinne der Erfindung können weiterhin bekannte Sensoren, die die Kraftstoffanteile auf Basis der unterschiedlichen Brechungsindizees analysieren, ein Klopfsensor, , zum Einsatz kommen. Weiterhin kann eine Lösung in Embedded- Technologie, die einen MOEMS-Baustein verwendet (Mikro Opto-Elektro-Mechanischer Sensor), um die Kraftstoffzusammensetzung mittels Messung der Licht-Transmission im infraroten Bereich des Spektrums zu bestimmen, zur Anwendung kommen. Dieses optische Messverfahren lässt sich dazu nutzen, um viele Kraftstoffmerkmale zu bestimmen, darunter Dichte, Heizwert, Cetan- und Oktanzahl, Schwefelgehalt, Viskosität und weitere. Darüber hinaus kann jeder weitere bekannte Sensor genutzt werden, der zwischen zwei Kraftstoffarten unterschieden kann.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Brennkraftmaschine mit einer dritten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten, zweiten und/oder dritten Kraftstoffart betreibbar. Die Kraftstoffsensoreinheit ermittelt die in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten, aufgrund derer ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Kraftstoffarten Benzin, Ethanol und/oder Methanol. Alle diese drei Kraftstoffe sind verfügbar, seit langem etabliert und sicher zu handhaben. Ethanol und Methanol sind zusätzlich klimaneutral aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird neben der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit die Konzentrationen in der dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt. Zusätzlich zur Ermittlung der Art des Kraftstoffes wird der jeweilige Anteil bzw. die Konzentration der jeweiligen Kraftstoffart in dem Kraftstoff ermittelt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Betriebsparameter auf einen der ermittelten Kraftstoffart und/oder Zusammensetzung zugeordnetem Wert verändert. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kraftstoffarten wird der Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der veränderte Betriebsparameter die Einspritzmenge des Kraftstoffgemisches. Die Einspritzmenge des Kraftstoffs wird bei einem Otto-Motor auf das Luft-/Kraftstoffverhältnis für Lambda = 1 eingestellt. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff- Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weitergeleitet. Auf Basis der so ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, optimiert.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst der veränderte Betriebsparameter den Verbrennungsschwerpunkt und/oder den Zündzeitpunkt. Der Verbrennungsschwerpunkt ist der Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt bei etwa 5° bis 8° Kurbelwinkel (KW) nach dem Oberen Totpunkt (OT) des Kolbens. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst der veränderte Betriebsparameter das Verdichtungsverhältnis während des Verbrennungsprozesses. Die drei zu verwendenden Kraftstoffarten (Benzin, Methanol, Ethanol) weisen eine unterschiedliche Oktanzahl auf. Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades des Otto-Motors wird das Verdichtungsverhältnis derart angepasst, dass das Verdichtungsverhältnis möglichst hoch ist und gleichzeitig Klopfen vermieden wird. Insbesondere besteht bei hohem Methanolgehalt eine hohe Klopffestigkeit, wodurch es möglich ist, ein hohes Verdichtungsverhältnis einzustellen, ohne dass ein Klopfen auftritt. Dagegen muss bei geringerem Methanolgehalt ein geringeres Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, um ein Klopfen des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, das Verdichtungsverhältnis so einzustellen, dass der Otto-Motor auch bei wechselnden Kraftstoffarten näher an der Klopfgrenze betrieben werden kann. Dadurch kann der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden. Dazu wird beispielsweise ein Klopfsensor benutzt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst. Für eine maximale Effizienz des Verbrennungsprozesses werden mehrere Betriebsparameterabhängig von der Kraftstoffart und der jeweiligen Konzentration geändert. Zu nennen ist die Einspritzmenge des Kraftstoffgemisches, der Verbrennungsschwerpunkt bzw. der Zündzeitpunkt, das Verdichtungsverhältnis und bei Vorhandensein eines Abgas-Turboladers der Ladedruck.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin mittels der Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotorfür den Betrieb mit Benzin und/oder unterschiedlichen Alkanolen gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind ebenfalls in den Unteransprüchen 11 bis 17 dargelegt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-Ottomotors weist eine Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses sowie eine Kraftstoffsensoreinheit auf. Die Kraftstoffsensoreinheit ist dafür vorgesehen und dafür geeignet, die den Kraftstoff aufbauenden Kraftstoffarten zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, unterschiedliche Alkoholarten zu unterscheiden.
Auf Basis der ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine optimiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses ermöglicht das Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten oder einem Gemisch zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten, ohne dass ein Nutzer Einstellungen an der Brennkraftmaschine vornehmen muss. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit wird die Art des bzw. der Kraftstoffe ermittelt und ein Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine automatisch angepasst.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, zwischen Benzin und Alkanolen zu unterscheiden. Benzin und die zu verwendbaren Alkanolen weisen unterschiedliche Oktanzahlen auf. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kraftstoffarten wird der Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, zwischen Ethanol und Methanol zu unterscheiden. Beide Alkanole weisen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften, z.B. Dampfdrücke auf. Für einen optimalen Betrieb eines Otto-Motors müssen dessen Betriebsparameter entsprechend eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, Anteile der ermittelten Kraftstoffbestandteile zu ermitteln. Zusätzlich zur Ermittlung der Art des Kraftstoffes wird der jeweilige Anteil bzw. die Konzentration der jeweiligen Kraftstoffart in dem Kraftstoff ermittelt. In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, Anteile von Ethanol und/oder Methanol zu ermitteln. Beide Alkanole weisen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften, z.B. Dampfdrücke auf. Für einen optimalen Betrieb eines Otto-Motors müssen dessen Betriebsparameter entsprechend eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet, die Einspritzmenge an Kraftstoff je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Die Einspritzmenge des Kraftstoffs wird bei einem Otto-Motor auf das Luft-/Kraftstoffverhältnis für Lambda = 1 eingestellt. Mittels der Kraftstoffsensoreinheit werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff- Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weiter geleitet. Auf Basis der so ermittelten Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, optimiert.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet, das Verdichtungsverhältnis je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Das Verdichtungsverhältnis gibt ein Verhältnis zwischen einem maximalen Volumen des Brennraums und einem minimalen Volumen des Brennraums während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors an. Das Verdichtungsverhältnis kann durch geeignete so genannte VCR-Steller variabel eingepasst werden. Insbesondere besteht bei hohem Methanolgehalt eine hohe Klopffestigkeit, wodurch es möglich ist, ein hohes Verdichtungsverhältnis einzustellen, ohne dass ein Klopfen auftritt. Dagegen muss bei geringerem Methanolgehalt ein geringeres Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, um ein Klopfen des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Dies wird beispielsweise über einen Klopfsensor eingestellt und automatisch optimiert.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet, den Verbrennungsschwerpunkt je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Der Verbrennungsschwerpunkt ist der Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt bei etwa 5° bis 8° KW nach dem Oberen Totpunkt (OT) des Kolbens. Das Kraftstoff- Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden.
Die genannte Aufgabe wird außerdem mittels des erfindungsgemäßen Motoraggregats gemäß Anspruch 19 gelöst. Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung ist in Unteranspruch 20 dargelegt.
Das erfindungsgemäße Motoraggregat weist einen Verbrennungsmotor auf, der als Kolbenmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben sowie einer Brennkammer ausgestaltet ist. Das Motoraggregat weist außerdem einen Kraftstoffinjektor auf, über den ein Kraftstoffgemisch in die Brennkammer einspritzbar ist. Der Kraftstoffinjektor kann optional als Saugrohreinheit ausgeführt sein. Zusätzlich weist das Motoraggregat eine Zündvorrichtung zur Zündung des Kraftstoffgemisches in der Brennkammer auf. Das Motoraggregat weist ebenfalls eine Steuereinheit zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses im Verbrennungsmotor sowie eine Kraftstoffsensoreinheit und optional einen Klopfsensor auf, die dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, die den Kraftstoff aufbauenden Kraftstoffarten zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist die Kraftstoffsensoreinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, unterschiedliche Alkoholarten zu unterscheiden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten Analyse der Kraftstoffzusammensetzung des zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffgemisches, Detektion einer zum vorhergehenden Betrieb veränderten Kraftstoffzusammensetzung des Kraftstoffgemisches, Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Vergleich zum Verdichtungsverhältnis beim vorhergehenden Betrieb. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung eingestellt werden können und so die Leistung verbessert und der Verbrauch gesenkt werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sowohl die Bestandteile des Kraftstoffes bestimmt als auch deren Anteil am Kraftstoffgemisch. Während bei den bekannten Verfahren lediglich der Alkoholgehalt des Kraftstoffes bestimmt wird, ergibt sich hier der Vorteil, dass das Verdichtungsverhältnis auch in Abhängigkeit der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Alkoholart angepasst werden kann. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden neben dem Verdichtungsverhältnis auch die Einspritzmenge bei Lambda = 1 und/oder die Lage des
Verbrennungsschwerpunktes verändert. Dies hat den Vorteil einer weiteren Leistungssteigerung und Absenkung des Verbrauchs.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verdichtungsverhältnis durch die Veränderung des Ladedrucks eines Abgas-Turboladers oder VCR-Systeme angepasst.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung der Einspritzmenge bei Lambda = 1 eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten Analyse der Kraftstoffzusammensetzung des zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffgemisches, Detektion einer zum vorhergehenden Betrieb veränderten Kraftstoffzusammensetzung des
Kraftstoffgemisches, Veränderung der Einspritzmenge bei Lambda = 1 im Vergleich zur Einspritzmenge bei Lambda = 1 beim vorhergehenden Betrieb. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung eingestellt werden können und so die Leistung verbessert und der Verbrauch gesenkt werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sowohl die Bestandteile des Kraftstoffes bestimmt als auch deren Anteil am Kraftstoffgemisch. Während bei den bekannten Verfahren lediglich der Alkoholgehalt des Kraftstoffes bestimmt wird, ergibt sich hier der Vorteil, dass die Einspritzmenge bei Lambda = 1 auch in Abhängigkeit der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Alkoholart angepasst werden kann. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden neben der Einspritzmenge bei Lambda = 1 auch das Verdichtungsverhältnis und/oder die Lage des Verbrennungsschwerpunktes verändert. Dies hat den Vorteil einer weiteren Leistungssteigerung und Absenkung des Verbrauchs.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung der Lage des Verbrennungsschwerpunktes eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten Analyse der Kraftstoffzusammensetzung des zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffgemisches, Detektion einer zum vorhergehenden Betrieb veränderten Kraftstoffzusammensetzung des Kraftstoffgemisches, Veränderung der Lage des Verbrennungsschwerpunktes im Vergleich zur Lage des Verbrennungsschwerpunktes beim vorhergehenden Betrieb. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung eingestellt werden können und so die Leistung verbessert und der Verbrauch gesenkt werden kann. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sowohl die Bestandteile des Kraftstoffes bestimmt als auch deren Anteil am Kraftstoffgemisch. Während bei den bekannten Verfahren lediglich der Alkoholgehalt des Kraftstoffes bestimmt wird, ergibt sich hier der Vorteil, dass die Lage des Verbrennungsschwerpunktes auch in Abhängigkeit der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Alkoholart angepasst werden kann. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden neben der Lage des Verbrennungsschwerpunktes auch das Verdichtungsverhältnis und/oder die Einspritzmenge bei Lambda = 1 verändert, hier Lambda=1 ,
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Klopfsensor verbaut. Die Auswertung dessen Daten erlaubt die punktgenaue Einstellung des Verbrennungsschwerpunktes an der Klopfgrenze. So können über die im Stand der Technik bereits bekannten Vorteile, der Verbrauch weiter gesenkt und die Leistung weiter gesteigert werden.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist es, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche bei hoher Effizienz mit CCh-neutralen, nicht-schmierenden Kraftstoffen arbeitet, ohne nennenswerte Stickoxide zu emittieren. Die Verbrennungskraftmaschine wird in einem generatorähnlichen Betrieb zum Zweck der dezentralen Stromerzeugung innerhalb einer neuartigen, netzautarken Schnellladestation zum Einsatz kommen, welche Elektrofahrzeuge standortunabhängig mit einer Leistung von bis zu 250 kW oder mehr laden kann. Dieses innovative Produkt trägt maßgeblich dazu bei, die Nachfrage nach bedarfsgerechten Ladelösungen an jedem Standort zu decken und so die Elektromobilität flächendeckend zu ermöglichen.
Um die CCh-Neutralität des Verbrennungsverfahrens sicherzustellen, werden als Energieträger ausschließlich Bio-Ethanol und Bio-Methanol eingesetzt, welche nur so viel CO2 freisetzen, wie sie zuvor gebunden haben. Da diese im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel keine Schmierfähigkeit besitzen, können keine am Markt verfügbaren Motoren verwendet werden. Stattdessen müssen hohe Anforderungen an die Reibpaarungen von Zylindern und Kolben sowie der Ventile in den Zylinderköpfen erfüllt werden sowie die Abgasnachbehandlung optimiert werden. Es können auch Gemische von Kraftstoffen mit Anteilen von Benzin, Ethanol und/oder Methanol zum Einsatz kommen.
Um zusätzlich die Emission von Stickoxiden auf einem absoluten Minimum zu halten, ist der Einsatz eines ottomotorischen Verbrennungsverfahrens erforderlich, welches durch ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bei dieseltypischen Leistungsdaten (Drehmoment, Kraftstoffverbrauch) die rückstandslose Verbrennung der Energieträger ermöglicht. Eine Partikelemission tritt wegen des ottomotorischen Verfahrens mit Saugrohreinspritzung nicht in messbarem Maße auf. Dabei sorgt diese für eine entsprechende Mischstrecke bei der Gasbildung, welche die Partikelemission verhindert. Bei der stöchiometrischen Verbrennung wird ebenso die Partikelbildung durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC-Emission) verhindert. Desweiteren neigen extrem kurzkettige Alkanole wie Methanol und Ethanol nicht zur Partikelbildung wie langkettige Kohlenwasserstoff Gemische
Die Verwendung einer ottomotorischen Verbrennungskraftmaschine in der stationären Stromerzeugung mit Leistungen von bis zu 250 kW oder mehr stellt eine Neuheit dar. Sonstige Stromerzeuger mit vergleichbarer Leistung basieren ausschließlich auf Dieselmotoren und emittieren somit in erheblichem Maße Stickoxide, die sich nur mittels aufwändiger Abgasnachbehandlung (Harnstoffnacheinspritzung) teilweise beseitigen lassen.
NH3 Bildung kann durch unterstöchiometrische Verbrennung von Ethanol entstehen. Daher ist dieses Aggregat mit 2 Lambdasonden (vor und nach Katalysator) zur Kontrolle möglichen NH3 Schlupfes bestückt. Zur wirksamen Oxidierung von NH3 wird überdies ein nachgeschalteter Schlupf-Katalysator mit hoher Platinbeschichtung verbaut.
Als technischer Zielparameter ist eine Effizienz des Verbrennungsvorgangs von 42% erreichbar. Diese übertrifft die Effizienz von ottomotorischen (20 - 28%) und dieseltypischen Verbrennungen (33%) deutlich. Zusätzlich wird darauf abgezielt, die Emissionsgrenzwerte der NOx-Masse im Abgasstrom von 0,4 g/kWh um mindestens 30% sowie die Partikelmasse von 15 mg/kWh und Partikelanzahl von 1012/kWh um jeweils 50% zu unterschreiten (Stufe 5 Motorenklasse NRE-c-6, EU-Verordnung 2016/1628).
Der innovative Lösungsansatz besteht darin, einen für Lastkraftwagen konstruierten Diesel- Motor zum Ottomotor umzubauen. Nur mit dem ottomotorischen Brennverfahren ist eine stöchiometrische Verbrennung zu erreichen. Dies ist die Voraussetzung für den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators, welcher für die Reduzierung der Emissionen nötig ist. Auf diese Weise lassen sich bei hohem Wirkungsgrad die Stickoxid-Emissionen erheblich reduzieren.
Bei unterstöchiometrischer Verbrennung von CH3OH entsteht NH3. Um dies zur Oxidation zu führen und damit Risiken durch die Emission von Ammoniak zu minimieren, wird zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator ein Sperrkatalysator verwendet. Durch die Kombination einer hohen Leistung von bis zu 250 kW bei CO2-neutraler Verbrennung von erneuerbaren Energieträgern ohne nennenswerte Stickoxidemissionen entsteht eine erhebliche technologische Komplexität.
Um den geplanten Dieselmotor zu einem Ottomotor umzuwandeln, werden Zündkerzen und eine neue Einspritzung integriert. Es erfolgt eine genaue Berechnung und Auslegung der Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr, speziell die Abstimmung der Düsen, um den gewünschten Betriebspunkt zu erreichen. Die Eispritzdüsen sind Eigenkonstruktionen, welche für große Durchlässe optimiert und zur Vermeidung von Dampfbildung im Kraftstoff aufwärts gerichtet eingebaut werden. Beim Öffnen entweicht als erstes der Dampf. Daher treten keine Zündaussetzer auf. Um die möglichst rückstandslose Verbrennung bei einem Verbrennungsluftverhältnis von Lambda gleich eins zu ermöglichen, ist eine hohe Verdichtung des Faktors 12 bis 18 nötig. Dazu werden flache Kolbenmulden verwendet. Zusätzlich ist zur Leistungsregelung des Motors eine Drosselklappe verbaut. Um die Neuauslegung der Nockenwellen zu umgehen, werden die Diesel-Steuerzeiten verwendet.
Der Motor wird bei einer dieseltypischen Drehzahl von 1300 U/min bis 1800 U/min betrieben, um die passende Generatordrehzahl zu gewährleisten. Bei ottomotorischen Verbrennungskraftmaschinen liegt bei dieser Drehzahl allerdings keine ausreichende Leistung für die Schnellladung von Elektrofahrzeugen vor. Aus diesem Grund ist beispielsweise eine Aufladung des Motors mithilfe eines T urboladers auf zwischen 1 ,8 und 2 bar Überdruck erforderlich, was ein Drehmoment von 1750 Nm und eine Leistung von 230 kW ermöglicht. Unter den gegebenen Randbedingungen (230 kW Leistung, 1500 U/min Drehzahl, 8,8 I Hubraum) ergibt sich ein zu erwartender Mitteldruck im Zylinderinnenraum von ca. 20,9 bar bei Volllast. Herkömmliche PKW-Motoren können diesem hohen Druck nicht standhalten, weshalb an dieser Stelle auf einen Motor für Lastkraftwagen zurückgegriffen wird. Der Motor erreicht bei dieseltypischer Drehzahl und dieseltypischem Mitteldruck die Leistung eines Ottomotors und emittiert entsprechend unbedenkliches Abgas.
P
Pe 230 kW
Pmmoe = , \/ . ~n.. = - n I I - =20, 9 bar
Vh n i 8,8 1-1500^ 0,5
Mit Mitteldruck: Pme = Pe / (Vh * n * i) und mit Pme = Mitteldruck in bar, Pe = Leistung in kW, Vh = Hubraum, n = Drehzahl, i = Kenngröße Brennverfahren.
Aufgrund der mangelnden Schmierfähigkeit von CCh-neutralen Bio-Energieträgern wie
Bio-Ethanol und Bio-Methanol sind hohe Anforderungen an die Reibpaarungen der beweglichen Komponenten des Motors zu stellen. Die Kolbenringe und die anliegende Zylinderwand sowie die Ventilsitze und Ventilführungen müssen perfekt aufeinander abgestimmt werden, da der Motor ansonsten nach kürzester Zeit zerstört würde. Die genaue Auslegung und gegenseitige Abstimmung der Reibpaarungen erzeugt demnach ein erhebliches technisches Risiko, welches durch die vorherrschenden hohen Mitteldrücke in den Zylindern weiter erhöht wird. Da bisher keine Anhaltspunkte für die Auslegung der Reibpaarungen bestehen, sind zur Findung dieser Untersuchungen im Bereich der Werkstoffkunde anzustellen. Bei der gesamten Auslegung des Motors ist weiterhin zu beachten, dass statt herkömmlicher Dichtungen spezielle, für den verwendeten Kraftstoff geeignete Dichtungen zu verwenden sind. Diese müssen außerdem den drastisch erhöhten Brennraumtemperaturen von 850°C statt 450°C standhalten können.
Der Motor kommt vorerst als Teilsystem in unserer netzautarken Schnellladestation zum Einsatz. Der Motor wird ebenso in einem Stromerzeugungsaggregat eingesetzt. Da bisher keine CCh-neutralen Stromerzeuger dieser Leistungsklasse ohne Emission von Partikeln oder NOx bestehen, ist auch dies eine Produktneuheit.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Motoraggregats sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : Motoraggregat
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Motoraggregats 10. Das Motoraggregat 10 weist einen Zylinder 14 auf, in dem ein sich hin- und herbewegender Kolben 16 angeordnet ist. Ein Einlassventil 18 öffnet sich periodisch, um Einlassluft durch den Lufteinlass 86 in den Zylinder 14 einzulassen. Der Kraftstoffinjektor 62 zerstäubt den Kraftstoff direkt in die Brennkammer 34 des Zylinders 14 hinein. Das Einlassventil 18 öffnet während des Einlasshubes, um Verbrennungsluft in die Brennkammer 34 einzulassen. Ein Auslassventil 20 öffnet sich periodisch, um zu ermöglichen, dass Abgas über den Abgasauslass 88 aus dem Zylinder 14 entweicht. Das Abgas treibt eine Turbine 82 an der Auslassseite eines Abgas-Turboladers an. Die Turbine an der Auslassseite 82 ist starr mit einer Turbine des Abgas-Turboladers an der Einlassseite 84 verbunden. Der Abgas- Turbolader ist derart aufgebaut, dass er eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Das Öffnen und Schließen des Einlassventils 18 und des Auslassventils 20 ist durch eine zugehörige Einlassnockenerhebung 22 und Auslassnockenerhebung 24 gesteuert. Die Einlassnockenerhebung 22 und die Auslassnockenerhebung 24 rotieren zusammen mit einer Nockenwelle 26. Die Nockenwelle 26 weist eine Erhebung 38 auf, die eine mechanische Kraftstoffpumpe 30 antreibt. Eine Nockenwellenriemenscheibe 32 treibt die Nockenwelle 26 an.
Der sich hin- und herbewegende Kolben 16 treibt über das Pleuel 28 eine Kurbelwelle 40 an. Ein Kurbelwellenzahnrad 42 rotiert mit der Kurbelwelle 40. Das Kurbelwellenzahnrad 42 treibt die Nockenwellenriemenscheibe 32 über einen Riemen oder eine Kette 44 an. Ein Kurbelwellenpositions-Targetring 50 ist ebenfalls an der Kurbelwelle 40 angebracht.
Zum Betrieb des Motoraggregats 10 wird entweder Benzin, Methanol, Ethanol oder ein Gemisch von Benzin, Methanol und/oder Ethanol eingesetzt. Der Kraftstoff wird mit Hilfe der Kraftstoffpumpe 30 aus dem Tank 70 über eine Kraftstoffleitung 72 zum Kraftstoffinjektor 62 gepumpt. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der genannten Kraftstoffarten sind unterschiedliche Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses des Motoraggregats 10 erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsprozesses des
Motoraggregats 10 weist zwei Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird mit der Kraftstoffsensoreinheit 68 die in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten (Benzin, Ethanol, Methanol) ermittelt. Außerdem wird die Konzentration der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt. Im zweiten Verfahrensschritt werden ein oder mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst.
Die Steuereinheit 12 erzeugt Ausgangssignale, die eine elektrische Kraftstoffpumpe 60 und einen Kraftstoffinjektor 62 derart steuern, dass abhängig von den im Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten die Einspritzmenge an Kraftstoff angepasst wird. Die Steuereinheit 12 empfängt ebenfalls ein oder mehrere Signale von einem Lambdasensor 66. Der Lambdasensor 66 gibt den Sauerstoffgehalt des Motorabgases an. Das Motorsteuermodul 12 hält das Luftverhältnis in der Nähe von A = 1 , also im Bereich des stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses. Dabei können alle Brennstoff-Moleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Kraftstoff übrig bleibt. Der effizienteste Betrieb stellt sich bei leicht magerem Gemisch von ca. A = 1 ,05 ein. Die höchste Motorenleistung wird bei fettem Gemisch von ca. A = 0,85 erreicht.
Zur Leistungssteigerung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades weist das Motoraggregat 10 einen Abgas-Turbolader auf. Der Turbolader weist auf der Auslassseite 82 die Abgasturbine auf, die durch die Energie der ausgestoßenen Abgase in Rotation versetzt wird. Über eine starre Welle ist die Abgasturbine 82 mit dem Verdichter auf der Einlassseite 84 verbunden, der die Zuluft des Motors verdichtet. Der Abgas-Turbolader weist eine variable Turbinengeometrie auf, realisiert z.B. durch verstellbare Leitschaufeln der Abgasturbine 82. Die Steuereinheit 12 steuert die verstellbaren Luftschaufeln der Abgasturbine 82 derart, dass der Ladedruck je nach Zusammensetzung des Kraftstoffes angepasst wird.
Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 40 und dem Kolben 16 in dem Zylinder 14 ist mit einem VCR-Steller 80 (VCR: Variable Compression Ratio) versehen, um ein Verdichtungsverhältnis in dem Zylinder 14 variabel einzustellen. Im Betrieb wird das Verdichtungsverhältnis mittels der Steuereinheit 12 im Wesentlichen so eingestellt, dass es größtmöglich ist, jedoch ein Klopfen des Motoraggregats 10 vermieden wird. Alternativ kann das Verdichtungsverhältnis auch über eine Veränderung des Ladedrucks des Abgas- Turboladers angepasst werden.
Ein Kurbelwellenpositionssensor 64 erzeugt ein Kurbelwellenpositionssignal auf der Basis einer Position des Kurbelwellenpositions-Targetringes 50. Das Kurbelpositionssignal repräsentiert Kurbelwinkelgrade in Bezug auf einen vorbestimmten Referenzpunkt. Der Kurbelwellenpositionssensor 64 leitet das Signal an die Steuereinheit 12 weiter. Die Steuereinheit 12 steuert die Zündkerze 36 derart, dass der Verbrennungsschwerpunkt je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung verändert wird. Der Verbrennungsschwerpunkt ist der Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt bei etwa 5° bis 8° KW nach dem Oberen Totpunkt (OT) des Kolbens 16. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden.
Beispielhaft sind für neun unterschiedliche Zusammensetzungen des im Motoraggregat 10 verwendeten Kraftstoffs sowie die jeweiligen Betriebsparameter aufgeführt (s. Tabelle 1):
Tabelle 1 : Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses für Kraftstoffe mit unterschiedlicher Zusammensetzung
Von den zur Verwendung kommenden Kraftstoffarten (Benzin, Methanol, Ethanol) weist 100%iges Benzin (BenzinlOO) den höchsten Kohlenstoff-Gehalt pro Volumeneinheit auf. Das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft ist daher mit 1 : 14,7 für Lambda = 1 am geringsten. Der Zündzeitpunkt liegt bei 20° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1 ,5 bis 2 bar eingestellt.
Im Gegensatz dazu weist 100%iges Methanol (MethanoHOO) den geringsten Kohlenstoff- Gehalt pro Volumeneinheit auf, gleichzeitig ist dessen Klopffestigkeit am höchsten. Das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft beträgt daher 1 : 6,47 für Lambda = 1 , die Verdichtung 18 : 1. Der Ladedruck kann bis zu 3 bar betragen, der Zündzeitpunkt liegt bei 10° vor OT.
100%iges Ethanol (Ethanol 100) liegt im Kohlenstoff-Gehalt pro Volumeneinheit zwischen BenzinlOO und MethanoHOO. Das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft beträgt daher 1 : 9 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 5° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1 ,5 bis 2 bar eingestellt.
Bei Verwendung eines Gemisches von 50% Benzin und 50% Methanol (Benzin50/Methanol50) beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 10,585 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 15° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 14,5 : 1 . Der Ladedruck wird bei 1 ,75 bis 2,5 bar eingestellt. Bei Verwendung eines Gemisches von 50% Benzin und 50% Ethanol (Benzin50/Ethanol50) beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 11 ,85 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 10,25° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1 ,5 bis 2 bar eingestellt.
Bei Verwendung eines Gemisches von 50% Benzin, 25% Methanol und 25% Ethanol (Benzin50/Ethanol25/Methanol25) beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 11 ,218 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 13,75° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 12,75 : 1. Der Ladedruck wird bei 1 ,6 bis 2,25 bar eingestellt.
Bei Verwendung des handelsüblichen Kraftstoffs E5 mit 95% Benzin und 5% Ethanol beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 14,415 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 19,25° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1 ,5 bis 2 bar eingestellt.
Bei Verwendung des ebenfalls handelsüblichen Kraftstoffs E10 mit 90% Benzin und 10% Ethanol beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 14,13 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 18,5° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei 1 ,5 bis 2 bar eingestellt.
Bei Verwendung des ebenfalls handelsüblichen Kraftstoffs E85 mit 15% Benzin und 85% Ethanol beträgt das Einspritzverhältnis Kraftstoff : Luft 1 : 9,855 für Lambda = 1. Der Zündzeitpunkt liegt bei 7,25° vor OT, das Verdichtungsverhältnis bei 11 : 1. Der Ladedruck wird bei ebenfalls 1 ,5 bis 2 bar eingestellt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zunächst die Ethanol-Moleküle durch eine Membran aus einem porösem Polymer aus dem Kraftstoffgemisch abgetrennt und im Anschluss mithilfe eines bekannten Alkoholsensors analysiert. Aus dem verbleibenden Kraftstoffgemisch werden dann durch eine zweite Membran Methanol- und Benzinmoleküle voneinander getrennt und ebenfalls mithilfe eines handelsüblichen Kraftstoffsensors analysiert. Auf diese Weise lässt sich feststellen, welche Kraftstoffarten im Kraftstoffgemisch vorhanden sind und zu welchen Anteilen die einzelnen Kraftstoffarten im Kraftstoffgemisch vorliegen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel, wird zunächst das Kraftstoffgemisch mithilfe eines bekannten Kraftstoffsensors analysiert. Im Nachgang wird durch eine Membran aus einem porösen Polymer das Ethanol abgetrennt und das verbleibende Kraftstoffgemisch wieder analysiert. Mithilfe eines einfachen Gleichungssystems lassen sich so die Anteile der im Kraftstoffgemisch enthaltenen Bestandteile ermitteln.
BEZUGSZEICHENLISTE
Motoraggregat
Steuereinheit
Zylinder
Kolben ‘ Kolbenkopf/Oberseite des Kolbens
Einlassventil
Auslassventil
Einlassnocke
Auslassnocke
Nockenwelle
Pleuel
Kraftstoffpumpe
Nockenwellenriemenscheibe
Brennkammer
Zündvorrichtung
Erhebung der Nockenwelle zum Antrieb der Kraftstoffpumpe
Kurbelwelle
Kurbelwellenzahnrad
Riemen/Kette
Kurbelwellenpositions-Targetring
Kraftstoffpumpe
Kraftstoffinjektor
Kurbelwellenpositionssensor
Lambdasonde Kraftstoffsensoreinheit
Kraftstofftank
Kraftstoffleitung
VCR-Steller
Abgas-T urbolader Auslassseite
Abgas-Turbolader Einlassseite
Lufteinlass
Abgasauslass

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer
Brennkraftmaschine (10) mit den Verfahrensschritten
• Ermittlung der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit einer Kraftstoffsensoreinheit (68)
• Anpassen eines Betriebsparameters des Verbrennungsprozesses wobei die Brennkraftmaschine (10) mit einer ersten Kraftstoffart und einer zweiten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten und zumindest der zweiten Kraftstoffart betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine (10) die Kraftstoffsensoreinheit (68) zur Bestimmung der von Kraftstoffart und einer Steuereinheit (12) zur Einstellung eines Betriebsparameters aufweist.
2. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) mit einer dritten Kraftstoffart oder mit einem Kraftstoffgemisch aus der ersten, zweiten und/oder dritten Kraftstoffart betreibbar ist.
3. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffarten Benzin, Ethanol und/oder Methanol umfassen. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass neben der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten mit der Kraftstoffsensoreinheit (68) die Konzentrationen der in dem Kraftstoff enthaltenen Kraftstoffarten ermittelt wird. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter auf einen der ermittelten Kraftstoffart und/oder Zusammensetzung zugeordnetem Wert verändert wird. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der veränderte Betriebsparameter die Einspritzmenge des Kraftstoffgemisches umfasst. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der veränderte Betriebsparameter den Verbrennungsschwerpunkt und/oder den Zündzeitpunkt umfasst. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der veränderte Betriebsparameter das Verdichtungsverhältnis während des Verbrennungsprozesses umfasst. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Brennkraftmaschine (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses angepasst werden. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors für den Betrieb mit Benzin und/oder unterschiedlichen Alkanolen umfassend
• eine Steuereinheit (12) zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses
• eine Kraftstoffsensoreinheit (68), wobei die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, die den Kraftstoff aufbauenden Kraftstoffarten zu ermitteln dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, unterschiedliche Alkanolarten zu unterscheiden. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, zwischen Benzin und Alkanolen zu unterscheiden. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, zwischen Ethanol und Methanol zu unterscheiden. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, Anteile der ermittelten Kraftstoffbestandteile zu ermitteln. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, Anteile von Ethanol und/oder Methanol zu ermitteln. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, die Einspritzmenge an Kraftstoff je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel-
Ottomotors nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15
29 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, das Verdichtungsverhältnis je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, den Verbrennungsschwerpunkt je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung zu verändern. Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses eines Multiple-Fuel- Ottomotors nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) mit einem Klopfsensor verbunden ist, der den Zündzeitpunkt je nach ermittelter Kraftstoffart und/oder Kraftzusammensetzung bis an die jeweilige Klopfgrenze optimiert. Motoraggregat (10) umfassend:
• einen Verbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben und einer Brennkammer (34)
• einen Kraftstoffinjektor (62), über den ein Kraftstoffgemisch in die Brennkammer (34) einspritzbar ist,
• eine Zündvorrichtung (36) zur Zündung des Kraftstoffgemisches in der Brennkammer (34)
30 • eine Steuereinheit (12) zur Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Verbrennungsprozesses
• eine Kraftstoffsensoreinheit (68), wobei die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, die den Kraftstoff aufbauenden Kraftstoffarten zu ermitteln dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinheit (68) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, unterschiedliche Alkanolarten zu unterscheiden. Motoraggregat (10) nach Anspruch 19: dadurch gekennzeichnet, dass das Motoraggregat (10) eine Vorrichtung (80) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses umfasst.
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