WO2014060071A1 - Verfahren zum betreiben eines hubkolben-verbrennungsmotors - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 10.
  • Reciprocating internal combustion engines are used in mobile applications, e.g. in motor vehicles, and stationary applications, e.g. As generators used, and generally have a plurality of combustion chambers, which are bounded by an oscillating piston, a cylinder, a combustion chamber wall and an inlet and outlet valve.
  • multi-fuel engines are known which with different types of fuel and / or fuel qualities, d. H. Mixtures thereof, operated.
  • the fuels are present as liquid or as gas.
  • the fuel is stored in a fuel tank. After refueling with a different fuel, there is a mixture in the fuel tank. Reciprocating internal combustion engines both as self-igniting and as spark-ignited internal combustion engines with fuel, z.
  • gasoline from hydrocarbons of refined petroleum and increasingly used with shares of renewable resources as plants. Ethanol or another type of alcohol can be obtained from the plants and added as second fuel to the gasoline as the first fuel. For example, in the fuel tank before refueling still a residual amount of gasoline without ethanol content available and the fuel tank if gasoline with an ethanol content of 15% is added, the result is a mixture of pure gasoline and gasoline with the ethanol content of 15%.
  • Reciprocating internal combustion engines are operated with different combustion processes and some of these combustion processes, eg. B. RCCI, HCCI (Homogeneous Charge Compression Ingnition) or DCCS, extremely sensitive to different or fluctuating fuel types and / or fuel qualities, so that a dependent and adapted control and / or regulation of Hubkoiben- internal combustion engine is required.
  • HCCI Homogeneous Charge Compression Ingnition
  • DCCS Direct Compression Ingnition
  • a method for operating an internal combustion engine in HCCI mode is known.
  • a course of a measured variable in a combustion chamber of a cylinder is detected and, based on this, combustion characteristics of a combustion in a first combustion chamber are determined Combustion cycle determined.
  • a first value of a state variable is determined at a fixed time after the first combustion cycle and before a second subsequent combustion cycle based on the determined combustion characteristics.
  • set values of the combustion characteristics of the combustion are determined.
  • a second value of the state variable of the second combustion cycle is determined and controlled depending on the first and second of the state variable of the internal combustion engine.
  • DE 10 2004 033 072 A1 shows a method for controlling an internal combustion engine, wherein at least one sensor a first variable is detected, which characterizes the pressure in the combustion chamber of at least one cylinder, starting from the first size, a second size, for. As the heating curve is determined, which characterizes the energy released during combustion. When a threshold of the second size is exceeded, a third variable is detected
  • a method for determining the composition of a fuel mixture of a first fuel and at least a second fuel for operating a self-igniting internal combustion engine is known.
  • the internal combustion engine has a sensor for determining the course of the combustion, for. B. for determining the cylinder pressure or structure-borne sound signals.
  • a measure of the stability of the combustion process is formed from a variable characterizing the combustion process in at least one cylinder, and the determination of the composition of the fuel mixture takes place from the measure of the stability.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for operating a reciprocating internal combustion engine and a reciprocating internal combustion engine, in which different types of fuel and / or fuel qualities in the control and / or Control of the reciprocating internal combustion engine can be easily taken into account.
  • This object is achieved with a method for operating a reciprocating internal combustion engine with the steps: supplying a fuel mixture of at least two types of fuel and air in at least one combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine, burning the fuel mixture in the at least one combustion chamber during a power stroke, detecting the Pressure curve during the power stroke in the at least one combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine with a pressure sensor per combustion chamber, determining an energy quantity per power stroke and each combustion chamber from the pressure detected by the pressure sensor pressure curve in the at least one combustion chamber, wherein the energy size during combustion in the at least characterized in a combustion chamber released chemical energy, wherein the volume and / or mass of the fuel mixture, which is supplied to the at least one combustion chamber per power stroke and each combustion chamber, is detected and from the volume and / or the Ma sse of the fuel mixture and the determined energy quantity per stroke and combustion chamber of the calorific value of the fuel mixture per stroke and combustion chamber is determined and controlled depending on the calculated calorific value per power stroke and combustion chamber at least one parameter of Hubgrol
  • Reciprocating internal combustion engine can be used with different types of fuel, eg. B. Gasoline and alcohol, especially ethanol, operated.
  • a controlled control and / or regulation of the parameters of the reciprocating internal combustion engine is required to allow in particular a uniform and accurate combustion during the power stroke.
  • low pollutant emissions and high efficiency can be achieved.
  • an adapted and optimized control and / or regulation of the parameters of the reciprocating internal combustion engine is required.
  • the opening times of the intake and exhaust valve, the amount of the fuel mixture supplied to the combustion chamber, the injection timing of the fuel mixture and the ignition timing can be controlled to obtain the lowest possible pollutant emissions and high efficiency.
  • the opening times of the intake and exhaust valve, the amount of the fuel mixture supplied to the combustion chamber, the injection timing of the fuel mixture and the ignition timing can be controlled to obtain the lowest possible pollutant emissions and high efficiency.
  • there is generally no completely homogeneous mixing of the fuel types in the fuel tank so that different mixing ratios from the fuel types are supplied to the combustion chambers. Only by detecting the calorific value per operating cycle and per combustion chamber can at least one parameter for this combustion chamber be controlled and / or regulated separately for each combustion chamber.
  • the fuel mixture is injected with an injector into the at least one combustion chamber or the fuel mixture is fed together with the air through an inlet valve to the at least one combustion chamber to the at least one combustion chamber.
  • the calorific value of the fuel mixture is determined separately for each combustion cycle and per combustion chamber for a plurality of combustion chambers and depending on the determined heating values per stroke and combustion chamber is at least controlled separately and / or regulated by at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine for this particular combustion chamber the calorific value has been determined and this will be for running several combustion chambers.
  • the calorific value of the fuel mixture is determined per operating cycle and per combustion chamber, and for those combustion chambers for which the calorific value has been determined, at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine for these combustion chambers is controlled and / or regulated in which the calorific values have been determined.
  • the calorific value for the first and second combustion chamber is determined, for example in the first and second combustion chamber and depending on the calorific value in the first combustion chamber at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine is controlled for the first combustion chamber and / or regulated and depending on the calorific value in the second combustion chamber, at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine is controlled and / or regulated for the second combustion chamber.
  • the calorific value of the fuel mixture in the second combustion chamber is thus not used for controlling and / or regulating at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine for the first combustion chamber and vice versa.
  • the calorific value of the fuel mixture per working cycle and per combustion chamber is determined separately for individual combustion chambers for each combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine and depending on the determined heating values per power stroke and combustion chamber at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine at all combustion chambers for this each combustion chamber is controlled separately and / or controlled by the calorific value has been determined and this is carried out for all combustion chambers.
  • at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine is controlled and / or regulated in the respective combustion chamber as a function of the calorific value in this combustion chamber, so that for all combustion chambers, ie. H. the entire reciprocating internal combustion engine, the combustion chambers optimized for the calorific value controlled and / or regulated.
  • the reciprocating internal combustion engine with auto-ignition of the fuel mixture in particular with the HCCI Method, operated and / or the reciprocating internal combustion engine is operated with the Otto method and / or with gasoline.
  • the reciprocating internal combustion engine is operated by the RCCI method and / or the reciprocating internal combustion engine is operated by the diesel method and / or operated with diesel fuel.
  • deviations in the calorific value or in the composition of fuel types can hinder simultaneous auto-ignition in the entire combustion chamber, if at least one parameter for a combustion chamber not on the calorific value or the composition of the fuel in This combustion chamber is adapted and optimized.
  • conversion losses and / or wall heat losses with models and / or empirical values are taken into account for determining the energy quantity and / or the combustion chamber wall temperature is detected and taken into account, in particular for determining the wall heat losses, and / or the data from a heat balance probe or a Hohenberg probe will be considered.
  • the proportion of at least two different types of fuel in the fuel mixture per stroke and each Combustion chamber separately for at least one combustion chamber, in particular all combustion chambers, determined and dependence thereof is at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine separately for at least one combustion chamber, in particular all combustion chambers, controlled and / or controlled by the proportion of at least two different types of fuel has been determined .
  • a Fuel mixture with two types of fuel in which the calorific values of the two types of fuel are known, can be determined from the average calorific value of the two fuel types, ie the fuel mixture, the proportion of each of the two fuel types of the fuel mixture and controlled in response to at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine and / or regulated.
  • the volume of the fuel mixture which is supplied to the at least one combustion chamber for the power stroke is detected by the injection time and / or the pressure difference at the injector and / or the viscosity of the fuel mixture and / or the flow cross-sectional area of the injector and / or a volume flow of gaseous fuel mixture and / or intake times of an intake valve are taken into account and / or detected.
  • the reciprocating internal combustion engine has, for example, an injector for injecting the liquid fuel into the combustion chamber during a power stroke, and from the injection time and preferably further variables, the volume of the fuel which is supplied to the combustion chamber per power stroke and per combustion chamber can be determined.
  • z As the viscosity of the fuel mixture, empirical assumptions required if a measurement during operation is not possible or appropriate.
  • the at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine which is controlled and / or regulated, the opening time of an intake valve and / or the opening time of an exhaust valve and / or the ⁇ VVert and / or the ignition timing and / or the Combustion chamber supplied amount of the fuel mixture and / or the combustion chamber supplied amount of air and / or the injection timing of the fuel mixture, which is preferably per combustion chamber and / or per power stroke, in particular separately, controlled and / or regulated.
  • the reciprocating internal combustion engine has a variable valve drive, so that the opening times of the intake and exhaust valves can be freely controlled.
  • the ⁇ -value can be controlled by the amount of air and the fuel mixture in the combustion chamber per power stroke. in the HCCI procedure we ignited without spark plug, so that the ignition timing can not be controlled with the spark plug and / or regulated.
  • a variable which characterizes the pressure course during the working cycle in the at least one combustion chamber is also considered as the pressure profile.
  • Reciprocating internal combustion engine comprising at least one cylinder, at least one piston which is mounted on the cylinder, a crank mechanism, at least one combustion chamber associated with the at least one cylinder, preferably an inlet and outlet valve per combustion chamber, a pressure sensor on the combustion chamber for detecting the combustion chamber Pressure in the combustion chamber during a power stroke, a control and / or regulating unit for controlling and / or regulating at least one parameter of the reciprocating internal combustion engine, wherein a method described in this patent application is executable.
  • the reciprocating internal combustion engine comprises a plurality of combustion chambers and at each combustion chamber, a pressure sensor is arranged.
  • the pressure profile can be detected for all combustion chambers and from the pressure curve, the energy quantity per operating cycle and per combustion chamber can be determined.
  • the reciprocating internal combustion engine comprises a fuel tank and a fuel sensor for the fuel mixture contained in the fuel tank, in particular for detecting the proportion of ethanol in the fuel mixture.
  • the data acquired by the fuel sensor may be used for models and empirical values, e.g. B. for determining the conversion losses, are used in the described method, since with the fuel sensor, the approximate proportion of at least two types of fuel in the fuel mixture can be detected.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine according to FIG. 1, FIG.
  • Fig. 3 is a graph in which the crank angle ⁇ is plotted on the abscissa and the cylinder pressure p at the ordinate, and
  • Fig. 4 is a graph in which the crank angle ⁇ is plotted on the abscissa and the firing curve dQ ⁇ / d ⁇ p on the ordinate.
  • An illustrated in Fig. 1 reciprocating internal combustion engine 1 has four combustion chambers 2.
  • the reciprocating internal combustion engine 1 as a gasoline engine is operated in the so-called HCCI process, a homogeneous auto-ignition process in certain operating ranges.
  • the HCCI process is a lean burning process and allows consumption reduction.
  • the compression ratio of a gasoline engine operated with gasoline fuel is not designed for auto-ignition at a higher temperature.
  • the reciprocating internal combustion engine 1 is provided with a Abgasschreibrrocktechnisch 5. Exhaust gas from the reciprocating internal combustion engine 1 is discharged into the environment through an exhaust pipe 3, and air or fresh air is supplied to the reciprocating internal combustion engine 1 through a fresh air line 4.
  • a fresh air flap 6 is used to control and / or regulating the amount of fresh air supplied to the reciprocating internal combustion engine 1 and thus also to control urid / or regulation of the ⁇ value.
  • an exhaust gas recirculation flap 7 With an exhaust gas recirculation flap 7, the amount of exhaust gas, which is supplied from the exhaust pipe 3 of the fresh air line 4 and thus the reciprocating internal combustion engine 1, controlled and / or regulated.
  • This the reciprocating internal combustion engine 1 supplied exhaust gas provides the necessary Thermal energy available to operate the reciprocating internal combustion engine 1 in the HCCI method, ie with a homogeneous self-ignition in the entire combustion chamber. 2
  • Fig. 2 shows a longitudinal section of a combustion chamber 2 of the reciprocating internal combustion engine.
  • a piston 8 is supported by a cylinder 10 and performs an oscillating translational movement due to a crank drive 11 only partially shown with a crankshaft and a connecting rod.
  • the combustion chamber 2 is bounded by the piston 8 and a combustion chamber wall 9.
  • An inlet valve 14 opens and closes the inlet channel 12 and has a variable valve train, so that the opening and closing times can be controlled and / or regulated independently of the crank mechanism 11 by a control and regulating unit 20.
  • the exhaust valve 15 has a variable valve train, so that the opening and closing times can be controlled and / or regulated independently of the crank mechanism 11 by a control and regulation unit 20.
  • a fuel mixture of gasoline and ethanol is supplied to the combustion chamber 2 during a working stakes. Outside HCCI operation, the mixture of fresh air and fuel mixture is ignited with a spark plug 16 and auto-ignition is performed during operation with the HCCI process.
  • the cylinder pressure p [bar] is detected with a pressure sensor 17 in each of the four combustion chambers 2, so that the pressure curve p [bar] per degree crank angle ⁇ [° KW], ie dp / dcp [bar / ° KW] can be determined ,
  • the crank angle ⁇ [° CA] is detected on the crankshaft as part of the crank mechanism 11 by an angle sensor, not shown.
  • a wall temperature sensor 18 also detects the temperature of the combustion chamber wall 9 on the combustion chamber 2.
  • the cylinder pressure p [bar] plotted on the ordinate is plotted as a function of the crank angle ⁇ [° CA] plotted on the abscissa.
  • the combustion curve dQ_i / d (p [J / ° KW] indicates the heat released during combustion per degree of crank angle and also contains the heat dQw / dq> [J / ° KW flowing during combustion through the combustion chamber wall 9 and the piston 8
  • the heat flow dQH / dq> [J / ° CA] differs from the combustion curve dQe / dcp in that the heat flowing through the combustion chamber wall 9 and the piston 8 is not contained in the heating process
  • dQs / dcp dQH / d ⁇ p + dQw / d (p
  • thermodynamics in a closed system the total amount of energy is constant.
  • the change dU of the internal energy is thus the transmitted heat dQ and the mechanical work dW.
  • a differential equation for the system of the combustion chamber 2 can be derived and under model assumptions and / or empirically determined values and / or with other sensors, eg. B. the wall temperature sensor 18, recorded data from the detected by the pressure sensor 17 pressure curve dp / dq> [bar / ° KW] the combustion curve .DQe / ckp [J / ° KW] are calculated.
  • the heating curve dCWdcp [J / ° KW] can be calculated from the pressure curve dp / d (p [bar / ° KW].)
  • the cumulative firing curve QB [J] is calculated with the integral to the firing curve dQe / dp of a complete operating cycle and contains the total thermal energy released per combustion cycle per combustion chamber 2.
  • the fuel mixture supplied to the combustion chamber 2 per working cycle with the injector 19 contains a larger chemical energy Uc, since combustion losses Uv occur during combustion, for example due to incomplete combustion Implementation losses amount to approx. 1 to 2% of the Sum Burning QB [J] and are calculated on the basis of empirical investigations.
  • the control and / or regulating unit 20 also detects the opening or injection time of the injector 19 per power stroke and combustion chamber 2 and under model assumptions on the pressure difference and the viscosity of the fuel mixture and the known flow cross-sectional area of the injector, the volume VK of the fuel mixture, which each working cycle per a combustion chamber 2 is supplied to be calculated.
  • the calorific value H [J / ml] of the fuel mixture of gasoline and ethanol is the chemical energy Uc per volume in ml of the fuel mixture. For this reason, the calorific value H per working cycle and per combustion chamber 2
  • the control and / or regulating unit 20 thus calculates the calorific value of the fuel mixture for each of the four combustion chambers 2 per power stroke.
  • the parameters of the reciprocating internal combustion engine 1 are controlled and / or regulated for all combustion chambers 2.
  • the opening times of the intake and exhaust valves 14, 15, the injection time, in particular the duration of injection, the injector 19 and the position of the fresh air flap 6 and the exhaust gas recirculation flap 7 controlled and / or regulated.
  • the calorific values of the fuel mixture of a combustion chamber 2 are used only for the control and / or regulation of that combustion chamber 2 for which the calorific value has been calculated, ie there is a separate and independent control and / or regulation of the parameters of the combustion chambers 2, these parameters separately for the combustion chambers 2, for example, the opening times of the intake and exhaust valves 14, 15 and the injection times of the injector 19.
  • a combustion chamber 2 may also include other data from the engine management, eg. B. in terms of speed or engine temperature, flow.
  • the reciprocating internal combustion engine 1 is supplied from a fuel tank, not shown, with a fuel mixture of gasoline and ethanol.
  • the fuel tank can be fueled with pure gasoline, pure ethanol or a mixture of gasoline and ethanol.
  • a fuel sensor (not shown) is arranged on the fuel tank for detecting the proportion of ethanol, but thus can not be accurately detected, the proportion of ethanol, which is supplied to the injectors 19 the combustion chambers 2, because in the fuel tank in general completely homogeneous mixing of gasoline and ethanol is present, so that the fuel injector 19 different, especially depending on the time different fuel mixtures are supplied with different proportions of gasoline / ethanol from a fuel tank opening into the fuel tank although the fuel tank no fuel is supplied.
  • the fuel is sucked from a fuel feed pump from the fuel tank and fed to a high pressure pump and fed from the high pressure pump to the high pressure rail (not shown).
  • the control and / or regulating unit 20 controls and / or separately controls the parameters of the combustion chambers 2 as a function of the calorific values of the fuel mixture supplied by the injectors 19 separately and separately for each of the four combustion chambers 2.
  • the parameters of the combustion chambers 2 are controlled and / or regulated as a function of those heating values for which the calorific values have been determined.
  • the reciprocating internal combustion engine 1 is operated in certain operating ranges with the HCCI method, which is particularly sensitive to allow complete auto-ignition in the combustion chambers 2. Fluctuations in the calorific values or the proportions of gasoline / ethanol in the fuel mixture can lead to disruptions in the HCCI process here.
  • the resulting disturbances can be at least partially compensated, so that even with fluctuations of the heating values or the shares to gasoline / ethanol of the fuel mixture, which is supplied to the combustion chambers 2, a reliable operation of the reciprocating internal combustion engine 1 is also guaranteed in the HCCI method in an advantageous manner.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit den Schritten: Zuführen eines Kraftstoffgemisches aus zwei Kraftstoffarten und von Luft in wenigstens einen Brennraum (2) des Verbrennungsmotors, Verbrennen des Kraftstoffgemisches in dem wenigstens einen Brennraum (2) während eines Arbeitstaktes, Erfassen des Druckverlaufes während des Arbeitstaktes in dem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) mit einem Drucksensor (17) je Brennraum (2), Ermitteln einer Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum (2) aus dem von dem Drucksensor (17) erfassten Druckverlauf in dem Brennraum (2), wobei die Energiegröße die bei der Verbrennung in dem Brennraum (2) freigesetzte chemische Energie charakterisiert sollen unterschiedliche Kraftstoffarten und/oder Kraftstoffqualitäten bei der Regelung des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1) einfach berücksichtigt werden können. Hierzu wird aus dem Volumen und/oder der Masse des zugeführten Kraftstoffgemisches und der ermittelten Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum (2) der Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum (2) ermittelt wird und in Abhängigkeit hiervon wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1) geregelt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Hubkolben-Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
Hubkolben-Verbrennungsmotoren werden in mobilen Anwendungen, z.B. in Kraftfahrzeugen, und stationären Anwendungen, z. B. als Stromgeneratoren, eingesetzt und weisen im Allgemeinen mehrere Brennräume auf die von einem oszillierenden Kolben, einem Zylinder, einer Brennraumwandung sowie einem Ein- und Auslassventil begrenzt sind. Dabei sind auch Mehrstoffmotoren bekannt, welche mit unterschiedlichen Kraftstoffarten und/oder Kraftstoffqualitäten, d. h. Mischungen hieraus, betrieben werden. Die Kraftstoffe liegen als Flüssigkeit oder als Gas vor.
Der Kraftstoff wird in einem Kraftstofftank bevorratet. Nach einer Betankung mit einer anderen Kraftstoffart liegt eine Mischung in dem Kraftstofftank vor. Hubkolben-Verbrennungsmotoren sowohl als selbstzündende als auch als fremdgezündete Verbrennungsmotoren werden mit Kraftstoff, z. B. Benzin, aus Kohlenwasserstoffen aus raffiniertem Erdöl und vermehrt mit Anteilen aus nachwachsenden Rohstoffen als Pflanzen betrieben. Aus den Pflanzen kann Ethanol oder eine andere Art von Alkohol gewonnen und als zweite Kraftstoff art dem Benzin als erste Kraftstoffart zugesetzt werden. Beispielsweise ist in dem Kraftstofftank vor der Betankung noch eine Restmenge an Benzin ohne Ethanolanteil vorhanden und dem Kraftstofftank wird Benzin mit einem Ethanolanteil von 15% zugeführt, kommt es zu einer Vermischung zwischen reinem Benzin und dem Benzin mit dem Ethanolanteil von 15%. Es sind Kraftstoffsensoren bekannt, welche den Anteil von Ethanol messen können und diese Kraftstoffsensoren sind an dem Kraftstofftank angeordnet, so dass nur der Anteil des Ethanols an der Position in dem Kraftstofftank, an welcher der Kraftstoffsensor angeordnet ist, erfasst werden kann. Eine ungleichmäßige Durchmischung in dem Kraftstofftank führt somit zu Messergebnissen des Kraftstoffsensors, weiche nicht dem durchschnittlichen Anteil des Ethanols in dem Kraftstofftank entspricht. Dabei kommt es während der Durchmischung zu Schwankungen des Anteils des Ethanols, welches von dem Kraftstofftank durch Kraftstoffleitungen Injektoren an den Brennräumen zugeführt wird. Die Messergebnisse des Kraftstoffsensors liefern somit nicht den Anteil des Ethanols in dem Kraftstoff, welches mit dem Injektor einem Brennraum zugeführt wird.
Hubkolben-Verbrennungsmotoren werden mit unterschiedlichen Brennverfahren betrieben und einige dieser Brennverfahren, z. B. RCCI, HCCI (Homogeneous Charge Compression Ingnition) oder DCCS, reagieren äußerst sensibel auf unterschiedliche bzw. schwankende Kraftstoffarten und/oder Kraftstoffqualitäten, so dass eine hiervon abhängige und angepasste Steuerung und/oder Regelung des Hubkoiben- Verbrennungsmotors erforderlich ist. Im HCCI-Verfahren, welches im Allgemeinen nur bei einem Teil des Betriebsbereiches ausgeführt wird, beginnt die Verbrennung im gesamten Brennraum gleichzeitig, so dass dieses Brennverfahren eine besonders genaue Steuerung und/oder Regelung der Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors erfordert, um Instabilitäten bei der Verbrennung aufgrund unterschiedlicher Kraftstoffarten zu vermeiden und das HCCI-Verfahren über einen möglichst großen Betriebsbereich nutzen zu können.
Aus der DE 10 2010 043 966 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors im HCCI-Betrieb bekannt. Es wird ein Verlauf einer Messgröße in einem Brennraum eines Zylinders erfasst und basierend hierauf werden Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus ermittelt. Anschließend wird ein erster Wert einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf den ermittelten Verbrennungsmerkmalen bestimmt. In dem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus werden Sollwerte der Verbrennungsmerkmale der Verbrennung bestimmt. Basierend auf diesen Sollwerten wird ein zweiter Wert der Zustandsgröße des zweiten Verbrennungszyklus bestimmt und abhängig von der ersten und zweiten der Zustandsgröße der Verbrennungsmotor angesteuert.
Die DE 10 2004 033 072 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei mit wenigstens einem Sensor eine erste Größe erfasst wird, die den Druck in dem Brennraum wenigstens eines Zylinders charakterisiert, wobei ausgehend von der ersten Größe eine zweite Größe, z. B. der Heizverlauf, ermittelt wird, die die bei der Verbrennung freigesetzte Energie charakterisiert. Bei einem Überschreiten eines Schwellenwertes der zweiten Größe wird eine dritte Größe erkannt
Aus der DE 10 2008 001 668 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemisches aus einem ersten Kraftstoff und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennkraftmaschine weist einen Sensor zur Bestimmung des Verlaufes der Verbrennung auf, z. B. zur Bestimmung des Zylinderdrucks oder von Körperschallsignalen. Aus einer den Verbrennungsvorgang in zumindest einem Zylinder charakterisierenden Größe wird ein Maß für die Stabilität des Verbrennungsvorganges gebildet und die Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches erfolgt aus dem Maß für die Stabilität.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors und einen Hubkolben- Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, bei welchem unterschiedliche Kraftstoffarten und/oder Kraftstoffqualitäten bei der Steuerung und/oder Regelung des Hubkolben-Verbrennungsmotors einfach berücksichtigt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit den Schritten: Zuführen eines Kraftstoffgemisches aus wenigstens zwei Kraftstoffarten und von Luft in wenigstens einen Brennraum des Hubkolben-Verbrennungsmotors, Verbrennen des Kraftstoffgemisches in dem wenigstens einen Brennraum während eines Arbeitstaktes, Erfassen des Druckverlaufes während des Arbeitstaktes in dem wenigstens einem Brennraum des Hubkolben- Verbrennungsmotors mit einem Drucksensor je Brennraum, Ermitteln einer Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum aus dem von dem Drucksensor erfassten Druckverlauf in dem wenigstens einen Brennraum, wobei die Energiegröße die bei der Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum freigesetzte chemische Energie charakterisiert, wobei das Volumen und/oder die Masse des Kraftstoffgemisches, welches dem wenigstens einen Brennraum je Arbeitstakt und je Brennraum zugeführt wird, erfasst wird und aus dem Volumen und/oder der Masse des Kraftstoffgemisches und der ermittelten Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum der Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum ermittelt wird und in Abhängigkeit von dem ermittelten Heizwert je Arbeitstakt und je Brennraum wenigstens ein Parameter des Hubkölben-Verbrennungsmotors gesteuert und/oder geregelt wird und vorzugsweise dies auch beinhaltet, dass aus dem ermittelten Heizwert der Anteil der wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten in dem Kraftstoffgemisch je Arbeitstakt und je Brennraum ermittelt wird und in Abhängigkeit von dem Anteil der wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten in dem Kraftstoffgemisch je Arbeitstakt und je Brennraum wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors gesteuert und/oder geregelt wird.
Unterschiedliche Kraftstoffarten weisen auch unterschiedliche Kraftstoffqualitäten auf, so dass der Begriff der Kraftstoffart auch Kraftstoffe mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten umfasst. Hubkolben- Verbrennungsmotor können mit unterschiedlichen Kraftstoffarten, z. B. Benzin und Alkohol, insbesondere Ethanol, betrieben werden. Dabei ist eine kontrollierte Steuerung und/oder Regelung der Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors erforderlich, um insbesondere eine gleichmäßige und genaue Verbrennung während des Arbeitstaktes zu ermöglichen. Dadurch können niedrige Schadstoffemissionen und einer hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Für unterschiedliche Heizwerte des Kraftstoffgemisches, welches dem Brennraum je Arbeitstakt zugeführt wird, ist eine darauf angepasste und optimierte Steuerung und/oder Regelung der Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors erforderlich. Beispielsweise können somit in Abhängigkeit von dem Heizwert des Kraftstoffgemisches, d. h. dem durchschnittlichen Heizwert des Kraftstpffgemisches je Brennraum und je Arbeitstakt, die Öffnungszeiten des Ein- und Auslassventils, die dem Brennraum zugeführte Menge des Kraftstoffgemisches, der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffgemisches und der Zündzeitpunkt gesteuert werden, um möglichst niedrige Schadstoffemissionen und einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten. Bei einem Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffarten erfolgt im Allgemeinen im Kraftstofftank keine vollständig homogene Durchmischung der Kraftstoffarten, so dass den Brennräumen unterschiedliche Mischungsverhältnisse aus den Kraftstoffarten zugeführt werden. Nur durch eine Erfassung des Heizwertes je Arbeitstakt und je Brennraum kann getrennt für jeden Brennraum wenigstens ein Parameter für diesen Brennraum gesteuert und/oder geregelt werden.
Zweckmäßig wird das Kraftstoffgemisch mit einem Injektor in den wenigstens einen Brennraum eingespritzt oder das Kraftstoffgemisch wird zusammen mit der Luft durch ein Einlassventil an dem wenigstens einen Brennraum dem wenigstens einen Brennraum zugeführt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum getrennt für mehrere Brennräume ermittelt und in Abhängigkeit von den ermittelten Heizwerten je Arbeitstakt und je Brennraum wird wenigstens ein Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors für diesen jeweiligen Brennraum getrennt gesteuert und/oder geregelt von dem der Heizwert ermittelt worden ist und dies wird für mehrere Brennräume ausgeführt. Der Heizwert des Kraftstoffgemisches wird je Arbeitstakt und je Brennraum ermittelt und für diejenigen Brennräume, für welche der Heizwert ermittelt worden ist, wird wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors für diese Brennräume gesteuert und/oder geregelt bei denen die Heizwerte ermittelt worden sind. Bei einem Hubkolben-Verbrennungsmotor mit vier Brennräumen wird beispielsweise bei dem ersten und zweiten Brennraum je Arbeitstakt der Heizwert für den ersten und zweiten Brennraum ermittelt und in Abhängigkeit des Heizwertes in dem ersten Brennraum wird wenigstens ein Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors für den ersten Brennraum gesteuert und/oder geregelt und in Abhängigkeit des Heizwertes in dem zweiten Brennraum wird wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors für den zweiten Brennraum gesteuert und/oder geregelt. Der Heizwert des Kraftstoffgemisches in dem zweiten Brennraum wird somit nicht zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters des Hubkolben- Verbrennungsmotors für den ersten Brennraum genutzt und umgekehrt.
In einer ergänzenden Variante wird für sämtliche Brennräume des Hubkolben-Verbrennungsmotors der Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum getrennt für einzelne Brennräume ermittelt und in Abhängigkeit von den ermittelten Heizwerten je Arbeitstakt und je Brennraum wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors bei sämtlichen Brennräumen für diesen jeweiligen Brennraum getrennt gesteuert und/oder geregelt von dem der Heizwert ermittelt worden ist und dies wird für sämtliche Brennräume ausgeführt. Damit wird bei sämtlichen Brennräumen des Hubkolben-Verbrennungsmotors wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors in dem jeweiligen Brennraum in Abhängigkeit von dem Heizwert in diesem Brennraum gesteuert und/oder geregelt, so dass für sämtliche Brennräume, d. h. den gesamten Hubkolben- Verbrennungsmotor, die Brennräume optimiert für den Heizwert gesteuert und/oder geregelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit Selbstzündung des Kraftstoffgemisches, insbesondere mit dem HCCI- Verfahren, betrieben und/oder der Hubkolben-Verbrennungsmotor wird mit dem Ottoverfahren und/oder mit Ottokraftstoff betrieben. Zweckmäßig wird der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit dem RCCI-Verfahren betrieben und/oder der Hubkolben-Verbrennungsmotor wird mit dem Dieselverfahren betrieben und/oder mit Dieselkraftstoff betrieben. Insbesondere bei einem Betreiben des Hubkolben-Verbrennungsmotors mit unterschiedlichen Kraftstoffarten im HCCI-Verfahren können Abweichungen im Heizwert oder in der Zusammensetzung von Kraftstoffarten eine gleichzeitige Selbstzündung im gesamten Brennraum behindern, sofern wenigstens ein Parameter für einen Brennraum nicht auf den Heizwert oder die Zusammensetzung der Kraftstoffarten in diesem Brennraum angepasst und optimiert ist.
Zweckmäßig ist die Energiegröße der Summenbrennverlauf und/oder der Summenheizverlauf.
In einer weiteren Ausgestaltung werden zur Bestimmung der Energiegröße Umsetzungsverluste und/oder Wandwärmeverluste mit Modellen und/oder empirischen Werten berücksichtigt und/oder mit einem Wandtemperatursensor je Brennraum wird die Brennraumwandtemperatur erfasst und berücksichtigt, insbesondere zur Bestimmung der Wandwärmeverluste, und/oder die Daten einer Wärmebilanzsonde oder einer Hohenbergsonde werden berücksichtigt. in einer weiteren Ausführungsform wird aus dem Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum und/oder aus der Energiegröße sowie dem Volumen und/oder der Masse des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum der Anteil der wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten in dem Kraftstoffgemisch je Arbeitstakt und je Brennraum getrennt für wenigstens einen Brennraum, insbesondere sämtliche Brennräume, ermittelt und Abhängigkeit hiervon wird wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors getrennt für wenigstens einen Brennraum, insbesondere sämtliche Brennräume, gesteuert und/oder geregelt von dem der Anteil der wenigstens zwei unterschiedliche Kraftstoffarten ermittelt worden ist. Bei einem Kraftstoffgemisch mit zwei Kraftstoffarten, bei welchem die Heizwerte der beiden Kraftstoffarten bekannt sind, kann aus dem durchschnittlichen Heizwert der beiden Kraftstoffarten, d. h. des Kraftstoffgemisches, der Anteil jeder der beiden Kraftstoffarten des Kraftstoffgemisches ermittelt werden und in Abhängigkeit hiervon wenigstens ein Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors gesteuert und/oder geregelt werden.
In einer ergänzenden Variante wird das Volumen des Kraftstoffgemisches, welches dem wenigstens einen Brennraum für den Arbeitstakt zugeführt wird, erfasst, indem die Injektionszeit und/oder die Druckdifferenz an dem Injektor und/oder die Viskosität des Kraftstoffgemisches und/oder die Strömungsquerschnittsfläche des Injektors und/oder ein Volumenstrom an gasförmigen Kraftstoffgemisch und/oder Einlasszeiten eines Einlassventils berücksichtigt und/oder erfasst werden. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor verfügt beispielsweise über einen Injektor zur Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes in den Brennraum während eines Arbeitstaktes und aus der Injektionszeit und vorzugsweise weiteren Größen kann das Volumen des Kraftstoffes, welches dem Brennraum je Arbeitstakt und je Brennraum zugeführt wird, ermittelt werden. Dabei sind für manche Größen, z. B. die Viskosität des Kraftstoffgemisches, empirische Annahmen erforderlich, sofern eine Messung während des Betriebes nicht möglich oder angemessen ist.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind der wenigstens eine Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors, welcher gesteuert und/oder geregelt wird, die Öffnungszeit eines Einlassventils und/oder die Öffnungszeit eines Auslassventils und/oder der λ-VVert und/oder der Zündzeitpunkt und/oder die dem Brennraum zugeführte Menge des Kraftstoffgemisches und/oder die dem Brennraum zugeführte Menge an Luft und/oder der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffgemisches ist, wobei dies vorzugsweise je Brennraum und/oder je Arbeitstakt, insbesondere getrennt, gesteuert und/oder geregelt wird. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor verfügt über einen variablen Ventiltrieb, so dass die Öffnungszeiten des Ein- und Auslassventiles frei gesteuert werden können. Der λ-Wert kann durch die Menge der Luft und den Kraftstoffgemisches in dem Brennraum je Arbeitstakt gesteuert werden. Im HCCI-Verfahren wir ohne Zündkerze gezündet, so dass der Zündzeitpunkt nicht mit der Zündkerze gesteuert und/oder geregelt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird als der Druckverlauf auch eine Größe betrachtet, welche den Druckverlauf während des Arbeitstaktes in dem wenigstens einen Brennraum charakterisiert.
Erfindungsgemäßer Hubkolben-Verbrennungsmotor, umfassend wenigstens einen Zylinder, wenigstens einen Kolben, welcher an dem Zylinder gelagert ist, einen Kurbeltrieb, wenigstens einen dem wenigstens einen Zylinder zugeordneten Brennraum, vorzugsweise ein Ein- und Auslassventil je Brennraum, einen Drucksensor an dem Brennraum zur Erfassung des Druckes in dem Brennraum während eines Arbeitstaktes, einen Steuer- und/oder Regeleinheit zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters des Hubkolben-Verbrennungsmotors, wobei ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer Variante umfasst der Hubkolben-Verbrennungsmotor mehrere Brennräume und an jedem Brennraum ist ein Drucksensor angeordnet. Damit kann für sämtliche Brennräume der Druckverlauf erfasst werden und aus dem Druckverlauf die Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum ermittelt werden.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst der Hubkolben- Verbrennungsmotor einen Kraftstofftank und einen Kraftstoffsensor für das in dem Kraftstofftankt enthaltene Kraftstoffgemisch, insbesondere zur Erfassung des Anteils an Ethanol in dem Kraftstoffgemisch. Die von dem Kraftstoffsensor erfassten Daten können für Modelle und empirische Werte, z. B. zur Bestimmung der Umsetzungsverluste, in dem beschriebenen Verfahren genutzt werden, da mit dem Kraftstoffsensor der ungefähre Anteil der wenigstens zwei Kraftstoffarten in dem Kraftstoffgemisch erfasst werden kann. Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Hubkolben- Verbrennungsmotors,
Fig. 2 einen Längsschnitt eines Brennraumes des Hubkolben- Verbrennungsmotors gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 ein Diagramm, bei welchem der Kurbelwinkel φ an der Abszisse und den Zylinderdruck p an der Ordinate aufgetragen ist und
Fig. 4 ein Diagramm, bei welchem der Kurbelwinkel φ an der Abszisse und dem Brennverlauf dQß/d<p an der Ordinate aufgetragen ist.
Ein in Fig. 1 dargestellter Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 weist vier Brennräume 2 auf. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 als Ottomotor wird im sogenannten HCCI-Verfahren, einem homogenen Selbstzündungsverfahren in bestimmten Betriebsbereichen, betrieben. Das HCCI-Verfahren ist ein mageres Brennverfahren und ermöglicht Verbrauchsreduzierung. Das Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors, welcher mit Ottokraftstoff betrieben wird, ist nicht auf eine Selbstzündung mit einer höheren Temperatur ausgelegt. Hierzu ist der Hubkolben- Verbrennungsmotor 1 mit einer Abgasrückrührleitung 5 versehen. Durch eine Abgasleitung 3 wird Abgas des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 in die Umgebung abgeleitet und durch eine Frischluftleitung 4 wird Luft bzw. Frischluft dem Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 zugeführt. Eine Frischluftklappe 6 dient zur Steuerung und/oder Regelung der dem Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 zugeführten Menge an Frischluft und damit auch zur Steuerung urid/oder Regelung des λ-Wertes. Mit einer Abgasrückführklappe 7 wird die Menge an Abgas, welche von der Abgasleitung 3 der Frischluftleitung 4 und damit dem Hubkolben- Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt. Dieses dem Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 zugeführte Abgas stellt die notwendige thermische Energie zur Verfügung, um den Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 in dem HCCI-Verfahren betreiben zu können, d. h. mit einer homogenen Selbstzündung in dem gesamten Brennraum 2.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines Brennraumes 2 des Hubkolben- Verbrennungsmotors . Ein Kolben 8 ist von einem Zylinder 10 gelagert und führt eines oszillierende Translationsbewegung aufgrund eines nur teilweise dargestellten Kurbeltriebes 11 mit einer Kurbelwelle und einer Pleuelstange aus. Der Brennraum 2 ist von dem Kolben 8 und einer Brennraumwandung 9 begrenzt. In den Brennraum 2 mündet ein Einlasskanal 12 zu Einleiten von Frischluft in den Brennraum 2 und ein Auslasskanal 13 zum Ableiten von Abgas aus dem Brennraum 2. Ein Einlassventil 14 öffnet und schließt den Einlasskanal 12 und weist einen variablen Ventiltrieb auf, so dass die Öffnungs- und Schließzeiten unabhängig von dem Kurbeltrieb 11 von einer Steuer- und Regeleinheit 20 gesteuert und/oder geregelt werden können. In gleicher Weise weist das Auslassventil 15 einen variablen Ventiltrieb auf, so dass die Öffnungs- und Schließzeiten unabhängig von dem Kurbeltrieb 11 von einer Steuer- und Regeleinheit 20 gesteuert und/oder geregelt werden können. Mit einem Injektor 19 wird dem Brennraum 2 während eines Arbeitstakes ein Kraftstoffgemisch aus Benzin und Ethanol zugeführt. Außerhalb des Betriebes mit dem HCCI-Verfahren erfolgt die Zündung des Gemisches aus Frischluft und Kraftstoffgemisch mit einer Zündkerze 16 und während des Betriebes mit dem HCCI-Verfahren wird eine Selbstzündung ausgeführt. Dabei wird mit einem Drucksensor 17 in jedem der vier Brennräume 2 der Zylinderdruck p [bar] erfasst, so dass der Druckverlauf p [bar] je Grad Kurbelwinkel φ [°KW], d. h. dp/dcp [bar/°KW] ermittelt werden kann. Der Kurbelwinkel φ [°KW] wird an der Kurbelwelle als Teil des Kurbeltriebes 11 von einem nicht dargestellten Winkelsensor erfasst. Ein Wandtemperatursensor 18 erfasst außerdem die Temperatur der Brennraumwandung 9 an dem Brennraum 2. In dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm ist der an der Ordinate aufgetragene Zylinderdruck p [bar] in Abhängigkeit von dem an der Abszisse aufgetragenen Kurbelwinkel φ [°KW] dargestellt. Der Brennverlauf dQ_i/d(p [J/°KW] gibt die während der Verbrennung freigesetzte Wärme pro Grad Kurbelwinkel an und enthält auch die während der Verbrennung durch die Brennraumwandung 9 und den Kolben 8 abfließende Wärme dQw/dq> [J/°KW], insbesondere durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Der Heizverlauf dQH/dq> [J/°KW] unterscheidet sich von dem Brennverlauf dQe/dcp dadurch, dass in dem Heizverlauf die durch die Brennraumwandung 9 und dem Kolben 8 abfließende Wärme nicht enthalten ist. Es gilt somit: dQs/dcp = dQH/d<p + dQw/d(p
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist in einem abgeschlossenen System der Gesamtbetrag der Energie konstant. Die Änderung dU der inneren Energie ist somit die übertragene Wärme dQ und und die mechanische Arbeit dW. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und der idealen Gasleichung, d. h. pV = mRT kann eine Differentialgleichung für das System des Brennraumes 2 abgeleitet werden und unter Modellannahmen und/oder empirisch ermittelten Werten und/oder mit weiteren Sensoren, z. B. dem Wandtemperatursensor 18, erfassten Daten aus dem von dem Drucksensor 17 erfassten Druckverlauf dp/dq> [bar/°KW] der Brennverlauf .dQe/ckp [J/°KW] berechnet werden. Abweichend hiervon kann aus dem Druckverlauf dp/d(p [bar/°KW] der Heizverlauf dCWdcp [J/°KW] berechnet werden. Der Summenbrennverlauf QB [J] wird mit dem Integral zu dem Brennverlauf dQe/d p eines vollständigen Arbeitstaktes berechnet und enthält die gesamte pro Arbeitstakt pro Brennraum 2 freiwerdende thermische Energie. Das dem Brennraum 2 pro Arbeitstakt mit dem Injektor 19 zugeführte Kraftstoffgemisch enthält jedoch eine größere chemische Energie Uc, da bei der Verbrennung Umsetzungsverluste Uv auftreten, z. B. aufgrund nicht vollständiger Verbrennung. Die Umsetzungsverluste betragen ca. 1 bis 2 % des Summenbrennveriaufes QB [J] und werden aufgrund empirischer Ermittlungen berechnet.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 20 erfasst außerdem die Öffnungs- bzw. Injektionszeit des Injektors 19 je Arbeitstakt und je Brennraum 2 und unter Modellannahmen zu der Druckdifferenz sowie der Viskosität des Kraftstoffgemisches und der bekannten Strömungsquerschnittsfläche des Injektors kann das Volumen VK des Kraftstoffgemisches, welches je Arbeitstakt je einem Brennraum 2 zugeführt wird, berechnet werden. Der Heizwert H [J/ml] des Kraftstoffgemisches aus Benzin und Ethanol ist die chemische Energie Uc pro Volumen in ml des Kraftstoffgemisches. Aus diesem Grund ist der Heizwert H je Arbeitstakt und je Brennraum 2
H = UC / VK = (QB + UV) / VK
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 20 berechnet somit für jeden der vier Brennräume 2 pro Arbeitstakt den Heizwert des Kraftstoffgemisches. In Abhängigkeit von diesem Heizwert werden, insbesondere im HCCI- Verfahren, für sämtliche Brennräume 2 die Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors 1 gesteuert und/oder geregelt. Beispielsweise werden hierzu die Öffnungszeiten des Ein- und Auslassventils 14, 15, die Injektionszeit, insbesondere die Injektionsdauer, des Injektors 19 und die Stellung der Frischluftklappe 6 und der Abgasrückführklappe 7 gesteuert und/oder geregelt. Dabei werden diese Parameter, sofern möglich, da die Stellung der Frischluft- und Abgasrückführklappe 7 für sämtliche Brennräume 2 wirkt, getrennt für die vier Brennräume 2 durchgeführt. Die Heizwerte des Kraftstoffgemisches eines Brennraumes 2 werden nur für die Steuerung und/oder Regelung desjenigen Brennraumes 2 genutzt, für welchen der Heizwert berechnet worden ist, d. h. es erfolgt eine getrennte und unabhängige Steuerung und/oder Regelung der Parameter der Brennräume 2, Diese Parameter getrennt für die Brennräume 2 sind beispielsweise die Öffnungszeiten des Ein- und Auslassventils 14, 15 und die Injektionszeiten des Injektors 19. Für die getrennte und unabhängige Steuerung und/oder Regelung der Brennräume 2 in Abhängigkeit von dem Heizwert des Kraftstoffgemisches in je einem Brennraum 2 können zusätzlich auch weitere Daten aus dem Motormanagement, z. B. hinsichtlich Drehzahl oder Motortemperatur, einfließen.
Der Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 wird aus einem nicht dargestellten Kraftstofftank mit einem Kraftstoffgemisch aus Benzin und Ethanol versorgt. Der Kraftstofftank kann dabei mit reinem Benzin, reinem Ethanol oder einem Gemisch aus Benzin und Ethanol betankt werden. Zwar ist an dem Kraftstofftank ein Kraftstoffsensor (nicht dargestellt) zur Erfassung des Anteils an Ethanol angeordnet, jedoch kann damit der Anteil des Ethanols, welches an den Injektoren 19 den Brennräumen 2 zugeführt wird, nicht genau erfasst werden, weil im Allgemeinen in dem Kraftstofftank keine vollständig homogene Durchmischung aus Benzin und Ethanol vorliegt, so dass von einer in den Kraftstofftank mündenden Kraftstoffleitung den Injektoren 19 unterschiedliche, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit unterschiedliche, Kraftstoffgemische mit unterschiedlichen Anteilen an Benzin/Ethanol zugeführt werden obwohl dem Kraftstofftank keine Kraftstoffart zugeführt wird. Darüber hinaus weisen die Kraftstoffleitungen von dem Kraftstofftank zu den Injektoren 19, insbesondere von einem nicht dargestellten Hochdruck- Rail zu den Injektoren 19, unterschiedliche Längen auf, so dass an den vier Brennräumen 2 zu gleichen Zeitpunkten auch Kraftstoffgemische mit unterschiedlichen Anteilen an Benzin/Ethanol auftreten können. Der Kraftstoff wird von einer Kraftstoffvorförderpumpe aus dem Kraftstofftank angesaugt und einer Hochdruckpumpe zugeführt und von der Hochdruckpumpe dem Hochdruck-Rail zugeführt (nicht dargestellt).
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 20 steuert und/oder regelt getrennt die Parameter der Brennräume 2 in Abhängigkeit von den getrennt und separat für jeden der vier Brennräume 2 erfassten Heizwerten des durch die Injektoren 19 zugeführten Kraftstoffgemisches. Dabei werden die Parameter der Brennräume 2 in Abhängigkeit von denjenigen Heizwerten gesteuert und/oder geregelt, für welchen die Heizwerte ermittelt worden sind. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 wird in bestimmten Betriebsbereichen mit dem HCCI-Verfahren betrieben, welches besonders empfindlich ist, um eine vollständige Selbstzündung in den Brennräumen 2 zu ermöglichen. Schwankungen der Heizwerte bzw. der Anteile an Benzin/Ethanol des Kraftstoffgemisches können hier zu Störungen in dem HCCI-Verfahren führen. Aufgrund der getrennten Erfassung der Heizwerte für jeden Brennraum 2 und einer in Abhängigkeit hiervon getrennten und optimierten Steuerung und/oder Regelung der Parameter für jeden Brennraum 2 können die hieraus resultierenden Störungen wenigstens teilweise ausgeglichen werden, so dass auch bei Schwankungen der Heizwerte bzw. der Anteile an Benzin/Ethanol des Kraftstoffgemisches, welches den Brennräumen 2 zugeführt wird, ein zuverlässiger Betrieb des Hubkolben- Verbrennungsmotors 1 auch im HCCI-Verfahren in vorteilhafter Weise gewährleistet ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors (1) mit den Schritten:
- Zuführen eines Kraftstoffgemisches aus wenigstens zwei
Kraftstoffarten und von Luft in wenigstens einen Brennraum (2) des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1 ),
- Verbrennen des Kraftstoffgemisches in dem wenigstens einen
Brennraum (2) während eines Arbeitstaktes,
- Erfassen des Druckverlaufes während des Arbeitstaktes in dem wenigstens einem Brennraum (2) des Hubkolben- Verbrennungsmotors (1) mit einem Drucksensor (17) je Brennraum (2),
- Ermitteln einer Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum (2) aus dem von dem Drucksensor (17) erfassten Druckverlauf in dem wenigstens einen Brennraum (2), wobei die Energiegröße die bei der Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum (2) freigesetzte chemische Energie charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen und/oder die Masse des Kraftstoffgemtsch.es, welches dem wenigstens einen Brennraum (2) je Arbeitstakt und je Brennraum (2) zugeführt wird, erfasst wird und aus dem Volumen und/oder der Masse des Kraftstoffgemisches und der ermittelten Energiegröße je Arbeitstakt und je Brennraum (2) der Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum (2) ermittelt wird und in Abhängigkeit von dem ermittelten Heizwert je Arbeitstakt und je Brennraum (2) wenigstens ein Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1) gesteuert und/oder geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwert des Kraftstoffgernisches je Arbeitstakt und je Brennraum (2) getrennt für mehrere Brennräume (2) ermittelt wird und in
Abhängigkeit von den ermittelten Heizwerten je Arbeitstakt und je Brennraum (2) wenigstens ein Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors (1) für diesen jeweiligen Brennraum (2) getrennt gesteuert und/oder geregelt wird von dem der Heizwert ermittelt worden ist und dies für mehrere Brennräume (2) ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für sämtliche Brennräume (2) des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1) der Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum (2) getrennt für einzelne Brennräume (2) ermittelt wird und in
Abhängigkeit von den ermittelten Heizwerten je Arbeitstakt und je Brennraum (2) wenigstens ein Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors (1) bei sämtlichen Brennräumen (2) für diesen jeweiligen Brennraum (2) getrennt gesteuert und/oder geregelt wird von dem der Heizwert ermittelt worden ist und dies für sämtliche Brennräume (2) ausgeführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben-Verbrennungsmotor (1) mit Selbstzündung des
Kraftstoffgernisches, insbesondere mit dem HCCI-Verfahren, betrieben wird
und/oder der Hubkolben-Verbrennungsmotor (1) mit dem Ottoverfahren und/oder mit Ottokraftstoff betrieben wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegröße der Summenbrennverlauf und/oder der
Summenheizverlauf ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Energiegröße Umsetzungsverluste und/oder Wandwärmeverluste mit Modellen und/oder empirischen Werten berücksichtigt werden
und/oder
mit einem Wandtemperatursensor (18) je Brennraum die
Brennraumwandtemperatur erfasst und berücksichtigt wird,
insbesondere zur Bestimmung der Wandwärmeverluste
und/oder
die Daten einer Wärmebilanzsonde oder einer Hohenbergsonde berücksichtigt werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Heizwert des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum (2) und/oder aus der Energiegröße sowie dem Volumen und/oder der Masse des Kraftstoffgemisches je Arbeitstakt und je Brennraum (2) der Anteil der wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten in dem Kraftstoffgemisch je Arbeitstakt und je Brennraum (2) getrennt für wenigstens einen Brennraum (2), insbesondere sämtliche Brennräume (2), ermittelt wird und
Abhängigkeit hiervon wenigstens ein Parameter des Hubkolben- Verbrennungsmotors (1) getrennt für wenigstens einen Brennraum (2), insbesondere sämtliche Brennräume (2), gesteuert und/oder geregelt wird von dem der Anteil der wenigstens zwei unterschiedliche
Kraftstoffarten ermittelt worden ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Kraftstoffgemisches, welches dem wenigstens einen Brennraum (2) für den Arbeitstakt zugeführt wird, erfasst wird, indem die Injektionszeit und/oder die Druckdifferenz an einem Injektor (19) und/oder die Viskosität des Kraftstoffgemisches und/oder die
Strömungsquerschnittsfläche des Injektors (19) und/oder ein
Volumenstrom an gasförmigen Kraftstoffgemisch und/oder
Einlasszeiten eines Einlassventils (14) berücksichtigt und/oder erfasst werden.
9. .Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Parameter des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1), welcher gesteuert und/oder geregelt wird, die Öffnungszeit eines Einlassventils (14) und/oder die Öffnungszeit eines Auslassventils (15) und/oder der λ-Wert und/oder der Zündzeitpunkt und/oder die dem Brennraum (2) zugeführte Menge des Kraftstoffgemisches und/oder die dem Brennraum (2) zugeführte Menge an Luft und/oder der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffgemisches ist.
10. Hubkolben-Verbrennungsmotor, umfassend - wenigstens einen Zylinder (10),
- wenigstens einen Kolben (8), welcher an dem Zylinder (10)
gelagert ist,
- einen Kurbeltrieb ( 1),
- wenigstens einen dem wenigstens einen Zylinder (10)
zugeordneten Brennraum (2),
- vorzugsweise ein Ein- und Auslassventil (14, 5) je Brennraum (2),
- einen Drucksensor (17) an dem Brennraum (2) zur Erfassung des Druckes in dem Brennraum (2) während eines Arbeitstaktes,
- einen Steuer- und/oder Regeleinheit (20) zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters des Hubkolben- Verbrennungsmotors (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
11. Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben-Verbrennungsmotor (1) mehrere Brennräume (2) umfasst und an Jedem Brennraum (2) ein Drucksensor (17) angeordnet ist.
12. Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben-Verbrennungsmotor (1) einen Kraftstofftank umfasst und einen Kraftstoffsensor für das in dem Kraftstofftankt enthaltene Kraftstoffgemisch, insbesondere zur Erfassung des Anteils an Ethanol in dem Kraftstoffgemisch.
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