WO2019206629A1 - Verfahren zum betreiben einer mit gas betriebenen brennkraftmaschine mit vtg-lader - Google Patents

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Pierre Scheller
Konrad Bartels
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to the field of internal combustion engines, in particular a method for operating a gas-powered internal combustion engine.
  • An advantageous fuel for internal combustion engines is gas, in particular natural gas, for example compressed natural gas (CNG), with a high methane content, since it has a high octane number and a high degree of purity.
  • natural gas for example compressed natural gas (CNG)
  • CNG compressed natural gas
  • the injectors are supplied with gas for internal mixture formation from a
  • Gas distribution pipe which is operated with a certain gas pressure and is connected via a pressure reducer to a gas tank.
  • the height of the specific gas pressure causes the injection time for the gas in the combustion chamber, which shortens with increasing gas pressure.
  • the specific gas pressure should rather be set low because it also defines the minimum pressure at which gas still flows from the gas tank into the gas rail.
  • the injection times of gas into the combustion chamber Limiting the time available (time window) for the introduction of the gas on the one hand, the closing of the exhaust valve so that unburned gas is not purged from the combustion chamber.
  • the introduction of the gas must be completed before the pressure in the combustion chamber assumes too high values during compression. If the pressure in the combustion chamber is higher than the gas pressure, the desired amount of gas can not be due to the resistance in the
  • German laid-open specification DE 10 2015 226 323 A1 discloses a method for
  • Valve overlap results in higher fresh air filling.
  • the object of the present invention is to further improve methods for operating an internal combustion engine operated with natural gas.
  • At least one inlet valve and at least one outlet valve of a combustion chamber are cyclically opened and closed, as well as a compressed charge with injected gas
  • the internal combustion engine may be a traction engine of a vehicle, in particular a car or truck.
  • the internal combustion engine according to the invention is in particular a gas-powered, for example, an internal combustion engine with natural gas and may also have a liquid fuel distribution system, so that the engine bivalent alternately with a liquid fuel, especially gasoline, and gas is operable.
  • it can also be an internal combustion engine with
  • the internal combustion engine comprises at least one
  • a combustor having at least one intake valve and at least one exhaust valve, and the at least one intake valve may be opened for an intake event for introducing a charge into the combustion chamber for the period of rotation about a crankshaft angle.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine are introduced into a VTG (Variable Turbine Geometry) turbocharger whose guide vanes can be moved.
  • the VTG loader uses the residual energy of the exhaust gases to convey air from outside into the combustion chamber and the
  • VTG turbocharger Charge internal combustion engine.
  • the Miller combustion process makes it possible to use a VTG turbocharger.
  • the basis for this are - compared to conventional combustion processes - lower exhaust gas temperatures. Due to the higher effective engine efficiency, the fresh air mass flow required for the engine power continues to drop.
  • a VTG loader can be designed for the internal combustion engine, which manages without additional wastegate.
  • the intake camshaft in a dynamic request, is held in the reference position until a target filling is reached, or the
  • the dynamic exhaust pressure can be rapidly reduced to its steady target value.
  • the conversion to consumption-optimal values can take place.
  • the Aufstau the VTG supercharger is reduced towards the end of the load jump.
  • high differences between the dynamic and stationary value can be avoided, which could lead to abnormal driving behavior, because the combustion process must adapt extremely quickly from a strong negative purging gradient to much more positive values.
  • the accumulation behavior of the VTG supercharger can be reduced towards the end of the load step by opening the VTG blades even before reaching the setpoint boost pressure.
  • Damping behavior of the VTG loader towards the end of the load step can be done, for example, by a VTG actuator limit.
  • the VTG blades can be closed to the maximum.
  • the VTG position can then be limited to lower values, thus significantly reducing the delta between dynamic and stationary exhaust backpressure.
  • the conversion to consumption-optimal values can be done by early closing of the inlet valve.
  • the value of the VTG position can be that of the stationary one
  • a damper engagement may also be performed. Due to the damping action, the VTG loader can be opened quickly and by a large amount. Thus, the actual boost pressure can be intercepted sufficiently quickly, so that sets a harmonious Einregel .
  • a maximum value of the VTG position is set in the load jump start and then there is a limitation as a result of the exhaust gas back pressure reduction and the co-ordination of the damper.
  • Inlet duct must be promoted in the combustion chamber. This results in the same marginal conditions compared to a direct fuel injection a lower
  • Fresh charge amount and thus a lower power of the engine This manifests itself, especially at low engine speeds in a greatly delayed response of a CNG vehicle, which can be avoided with the method described here.
  • This enables an optimal turbine efficiency profile.
  • the maximum possible turbine power can be made available. This is done by completely closing the VTG blades so that the maximum possible turbine inlet pressure is generated. This can be used because the combustion process according to the invention has a very low tendency to knock.
  • the gasoline-fueled internal combustion engine here is much more sensitive, so that the excessive exhaust back pressures could probably not be implemented.
  • the existing VTG cartridge of the gasoline-fueled internal combustion engine is further developed in such a way that, in combination with the identical turbine wheel, it enables a significantly greater buildup of exhaust gas pressure.
  • the gas injected into the combustion chamber may be a CNG fuel.
  • the fuel CNG has the advantage of a high knock resistance, which allows a low temperature of the charge and results in optimal CG positions.
  • the intake valve may be opened before the exhaust valve is already closed again, so that a blow-in time window extends into an intake stroke.
  • the invention also relates to a motor controller having a processor adapted to carry out the method described herein.
  • the processor of the engine controller may, for example, by software instructions, cause intake and exhaust valves to be opened and closed according to the designated cycle.
  • the processor of the engine control system may be designed such that at least one of them cyclically
  • Inlet valve and at least one exhaust valve of a combustion chamber are opened and closed, and a compressed charge is externally ignited with injected gas.
  • the engine control processor may be configured to be early
  • the engine control processor may be configured to control the opening of the vane apparatus of a VTG supercharger.
  • FIG. 1 shows a topology of an embodiment of an internal combustion engine with VTG turbocharger in a vehicle with engine control unit, in which a program for carrying out the method according to the invention is present;
  • FIG. 2 provides a schematic representation of the sequence of a preferred embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows the desired and actual charge pressure progression during an exemplary load step
  • Fig. 4 additionally shows the set values for the intake camshaft position
  • FIG. 5 shows an exemplary optimal exhaust back pressure buildup for the intake camshaft position set values of FIG. 4;
  • Fig. 6 shows an exemplary actuator limitation of the VTG in the load step.
  • Fig. 7 shows the value of the VTG position resulting from the steady state pilot control
  • Fig. 1 shows a topology of an embodiment of an internal combustion engine 12, which is operated with natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (here CNG), as fuel, in a vehicle 10 with a natural gas (he
  • the internal combustion engine 12 is in this preferred embodiment, a spark-ignition internal combustion engine.
  • VTG compressor turbine with variable turbine geometry
  • the engine block 14 preferably a reciprocating engine with here exemplary four combustion chambers 26 or cylinders, 16 air is supplied by a fresh gas system.
  • the air is compressed with a compressor 20 of the VTG compressor 18 in the fresh gas system 16. Downstream of the compressor 20 is a throttle device not shown here in the drawing.
  • Each combustion chamber 26 is associated with a gas injector 28, with which gas directly into the
  • Combustion chamber can be introduced.
  • the gas is starting from a not graphically illustrated gas tank on a here not graphically
  • the Gasrail is located downstream of a pressure reducing valve not shown here, which reduces the gas pressure from the tank pressure to the gas rail pressure.
  • the exhaust gas discharged from the combustion chambers 26 enters an exhaust system 22 in which it first drives a turbine 24 of the VTG supercharger 18. The relaxed exhaust gas then flows through not shown here components of the
  • FIG. 2 schematically illustrates the flow of a preferred embodiment of the
  • a spark-ignited internal combustion engine 12 with a topology according to FIG. 1 is operated with gas as a fuel, wherein at least one inlet valve and at least one outlet valve of a combustion chamber 26 are opened and closed intermittently and the compressed charge is externally ignited with injected gas.
  • the at least one exhaust valve is opened to remove the exhaust gas from the combustion chamber mainly during the exhaust stroke.
  • step 36 the at least one inlet valve for an inlet event is opened.
  • step 38 the exhaust valve is closed.
  • the time window begins in which gas is injected into the combustion chamber (step 40), wherein still the intake valve is opened and the internal combustion engine is charged by means of the VTG supercharger.
  • the injection time window can extend into the intake stroke. It is no longer blown when the charge is compressed with the injected gas in the combustion chamber 26. This is
  • the at least one inlet valve is closed by appropriate adjustment of the intake camshaft. In the stationary state, this closing takes place early, in particular even during the intake stroke, ie in particular before the combustion chamber 26 has reached a maximum volume and the volume still increases. This early closing of the inlet valve (cf.
  • Dynamic demand Keep the intake camshaft in the reference position until the target is reached.
  • the intake camshaft may be held in the reference position until the target load is reached. This is followed in step 44 by the compression of the charge, which is then ignited, so that a next power stroke begins.
  • FIG. 3 shows the setpoint and actual charge pressure course during an exemplary load step.
  • the right-hand axis of the chart plots the time in the range of 0 to 4 seconds.
  • On the high-level axis are the target boost pressure 50 (dashed line) and the actual boost pressure 52
  • FIG. 4 additionally shows the set values for the intake camshaft position.
  • the right-hand value axis of the diagram again plots the time in the range of 0 to 4 seconds.
  • the target supercharging pressure 50 dashed line
  • the actual supercharging pressure 52 solid line
  • the set values for the intake camshaft position 54 are added in ° CA according to the method of the present invention, which improves the responsiveness.
  • the intake camshaft position 56 is plotted at steady-state grounding in ° CA, which would result from a control to consumption-optimal values in the stationary case (ie without the improvement of the response according to the invention).
  • a value of 22 ° KW marks a reference position and is considered in this embodiment as optimal filling. From this position, the camshaft is adjusted toward the earlier intake port, thereby implementing the Miller combustion process. As a consequence, an earlier phase position also requires a higher charge pressure in order to be able to compensate for the loss of charge as a result of the Miller combustion process. Therefore, in order to realize the optimum consumption stationary, the stationary Grundbedatung 56 is also in the direction of early camshaft positions as soon as possible. This would delay the response. For this reason, according to the invention, the intake camshaft is held in the reference position for a longer time in the case of a dynamic request.
  • the intake camshaft position is controlled in dependence on a target filling and an actual filling, preferably controlled as a function of a difference between the target filling and an actual filling.
  • the intake camshaft position may also be controlled in response to a target boost pressure and an actual boost pressure (see Figures 50 and 52 in Figure 3), preferably controlled as a function of a target fill and actual fill difference.
  • the variables target filling and actual filling or target supercharging pressure and actual supercharging pressure are present in the engine control, so that the control can access it.
  • the intake camshaft for example, held in the reference position until the target filling or the target boost pressure is reached. Only then will the conversion to consumption-optimal values take place.
  • the conversion from the reference position to consumption-optimal Values can be designed stepwise or continuously by means known to those skilled in the art, so that a rapid changeover or, alternatively, a gradual changeover from the reference position to values which are optimal for consumption, takes place.
  • FIG. 5 shows an exemplary optimum exhaust gas back pressure buildup for the set values for the intake camshaft position according to FIG. 4.
  • Inlet camshaft position 54 applied.
  • the maximum turbine power described above is generated in order to allow the fast supercharger pressure at all.
  • the dynamic exhaust pressure 58 is reduced very quickly to its steady target.
  • FIG. 6 shows an exemplary actuator limitation of the VTG in the load step.
  • the right-hand axis of the graph again plots the time in the range of 0 to 4 seconds.
  • FIG. 7 shows the value of the VTG position resulting from the stationary pilot control.
  • the target supercharging pressure 50, the actual supercharging pressure 52, the set values for the intake camshaft position 54, the optimal exhaust gas backpressure 58 and the actuator limit 60 of the VTG is plotted over time.
  • the value of the VTG position 62 is plotted in%, which results from the stationary pilot control.
  • Center of gravity of the ignition angle can be made. For example, a
  • the response of the natural gas-fired internal combustion engine according to this embodiment is thus a combination of adapted VTG design, dynamic timing selection, exhaust gas backpressure limitation in the load step and the classic

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine mit VTG-Lader Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer (26) geöffnet und geschlossen werden, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird, wobei die Brennkraftmaschine mittels einem VTG-Lader aufgeladen wird und eine Abgasgegendruckbegrenzung in einem Lastsprung vorgenommen wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine mit VTG-Lader
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Brennkraftmaschinen, insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine.
Ein vorteilhafter Kraftstoff für Brennkraftmaschinen ist Gas, insbesondere Erdgas, zum Beispiel Compressed Natural Gas (CNG), mit einem hohen Methananteil, da es eine große Oktanzahl und einen hohen Reinheitsgrad aufweist. Es gibt grundlegend zwei verschiedene Wege, das Gas einer Brennkammer der Brennkraftmaschine zuzuführen: In einer ersten Klasse von Brennkraftmaschinen erfolgt eine Saugrohreinblasung, bevorzugt an einer Mehrzahl von Positionen in zylinderindividuellen Fluidleitungen des Saugrohrs (äußere Gemischbildung). In einer zweiten Klasse von Brennkraftmaschinen wird das Gas direkt in die Brennkammer injiziert (innere Gemischbildung).
Versorgt werden die Injektoren mit Gas für die innere Gemischbildung aus einem
Gasverteilerrohr (Gasrail), welches mit einem bestimmten Gasdruck betrieben wird und über einen Druckminderer mit einem Gastank verbunden ist. Die Höhe des bestimmten Gasdrucks bedingt die Injektionszeit für das Gas in die Brennkammer, welche sich mit zunehmendem Gasdruck verkürzt. Aus praktischen Gründen sollte der bestimmte Gasdruck aber eher niedrig festgelegt sein, da er gleichzeitig den minimalen Druck definiert, bei dem noch Gas aus dem Gastank in das Gasrail strömt. In der Folge ergeben sich Restriktionen für die Injektionszeiten von Gas in die Brennkammer hinein. Limitierend für die zur Verfügung stehende Zeitdauer (Zeitfenster) für die Einbringung des Gases ist einerseits das Schließen des Auslassventils, damit unverbranntes Gas nicht aus der Brennkammer gespült wird. Anderseits muss die Einbringung des Gases beendet sein, bevor der Druck in der Brennkammer während der Kompression zu hohe Werte annimmt. Wenn der Druck in der Brennkammer höher als der Gasdruck ist, kann aufgrund des Widerstands nicht die gewünschte Gasmenge in die
Brennkammer gelangen oder sogar eine Rückströmung von Gas durch den Injektor erfolgen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2015 226 323 A1 offenbart ein Verfahren zum
Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine, die eine Brennkammer aufweist. Es wird eine Überschneidung der Öffnungszeiten eines Auslassventils und eines Einlassventils der Brennkammer bewirkt (Ventilüberschneidung), was auch verbreitet als„Scavenging“ l bezeichnet wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft das Restgas aus dem Brennraum ausgespült (spülender Ladungswechsel), wodurch sich eine verglichen zum Betrieb ohne
Ventilüberschneidung höhere Frischluftfüllung ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine werden taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer geöffnet und geschlossen, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas
fremdgezündet, wobei die Brennkraftmaschine mittels einem VTG-Lader aufgeladen wird und eine Abgasgegendruckbegrenzung in einem Lastsprung vorgenommen wird. Durch die
Abgasgegendruckbegrenzung im Lastsprung kann das Ansprechverhalten eines Fahrzeugs verbessert werden.
Die Brennkraftmaschine kann eine Traktionsmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines PKWs oder LKWs sein. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist insbesondere eine Gasbetriebene, beispielsweise eine mit Erdgas betriebe Brennkraftmaschine und kann darüber hinaus auch eine Flüssigkraftstoffverteileranlage aufweisen, so dass die Brennkraftmaschine bivalent wechselweise mit einem Flüssigkraftstoff, insbesondere mit Benzin, und mit Gas betreibbar ist. Insbesondere kann es sich auch um eine Brennkraftmaschine mit
Direkteinspritzung des Flüssigkraftstoffs handeln.
Im erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Brennkraftmaschine wenigstens eine
Brennkammer, die wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, und das wenigstens eine Einlassventil kann für ein Einlassevent zum Einbringen einer Ladung in die Brennkammer für die Zeitdauer des Drehens um einen Kurbelwellenwinkel geöffnet werden. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden in einen VTG (Variable Turbinengeometrie)-Turbolader eingeleitet, dessen Leitschaufeln bewegt werden können. Der VTG-Lader seinerseits nutzt die Restenergie der Abgase, um Luft von außen in die Brennkammer zu fördern und die
Brennkraftmaschine aufzuladen. Durch das Miller-Brennverfahren wird der Einsatz eines VTG-Turboladers möglich. Grundlage dafür sind die - gegenüber konventionellen Brennverfahren - geringere Abgastemperaturen. Durch den höheren effektiven Motorwirkungsgrad sinkt weiterhin der für die Motorleistung benötigte Frischluftmassenstrom. Somit kann für die Brennkraftmaschine ein VTG-Lader ausgelegt werden, der ohne zusätzliches Wastegate auskommt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis eine Zielfüllung erreicht ist, oder die
Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis ein Sollladedruck erreicht ist. Um stationär den optimalen Verbrauch zu realisieren, geht die bekannte stationäre
Grundbedatung (d.h. bei Nutzung der für den stationären Fall vorgesehenen Kennlinien, Kennfelder, Parametern und/ Konstanten in der Steuerungslogik) schnellstmöglich in Richtung früher Nockenwellenpositionen. Dadurch würde sich aber das Ansprechverhalten verzögern. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß bei einer Dynamikanforderung die
Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis die Zielfüllung bzw. der Sollladedruck erreicht ist. Erst dann erfolgt die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte.
Beispielsweise kann nach Erreichen des Sollladedrucks der dynamische Abgasdruck schnell auf seinen stationären Zielwert abgebaut werden. So kann nach Erreichen der Zielfüllung bzw. des Sollladedrucks die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte erfolgen.
Vorteilhafter Weise wird das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges reduziert. So können hohe Unterschiede zwischen dem dynamischen und stationären Wert vermieden werden, die zu fahrverhaltensrelevanten Auffälligkeiten führen könnten, weil sich das Brennverfahren extrem schnell von einem stark negativen Spülgefälle auf deutlich positivere Werten anpassen muss.
Das Aufstauverhalten des VTG-Laders kann gegen Ende des Lastsprunges reduziert werden durch Öffnen der VTG-Schaufeln bereits vor Erreichen des Sollladedrucks. Das
Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges kann beispielsweise durch eine VTG-Stellerbegrenzung erfolgen. Zu Beginn können die VTG-Schaufeln maximal geschlossen werden. Vor Erreichen des Sollladedrucks kann die VTG-Stellung dann auf niedrigere Werte limitiert werden und somit das Delta zwischen dynamischem und stationären Abgasgegendruck entscheidend reduziert werden. Die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte kann durch frühes Schließen des Einlassventils erfolgen. Nach dem Lastsprung kann der Wert der VTG-Position dem der stationären
Vorsteuerung folgen. Ein frühes Schließen des Einlassventils kann realisiert werden, indem das Einlassventil noch während des Ansaugtaktes geschlossen werden.
Zur Einregelung des Zielladedrucks kann ferner ein Dämpfereingriff erfolgen. Durch den Dämpfereingriff kann der VTG-Lader schnell und um einen großen Betrag geöffnet werden. Somit kann der Istladedruck hinreichend schnell abgefangen werden, so dass sich ein harmonisches Einregelverhalten einstellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Lastsprungstart ein maximaler Wert der VTG- Position eingestellt und danach erfolgt eine Limitierung infolge der Abgasgendruckreduktion und der Einkoordinierung des Dämpfers.
Konventionelle CNG-Motoren mit äußerer Gemischbildung haben den Nachteil des
Füllungsverlustes, da sowohl die Frischluft als auch der benötigte Kraftstoff durch den
Einlasskanal in den Brennraum gefördert werden müssen. Hieraus resultiert bei gleichen Randbedingungen gegenüber einer direkten Kraftstoffeinbringung eine geringere
Frischladungsmenge und somit eine geringere Leistung des Motors. Dies äußert sich vor allem bei niedrigen Motordrehzahlen in einem stark verzögerten Ansprechverhalten eines CNG- Fahrzeuges, das mit dem hier beschriebenen Verfahren vermieden werden kann. Damit wird ein optimaler Turbinenwirkungsgradverlauf ermöglicht. Um den Füllungsnachteil mit einem höheren Ladedruck ausgleichen zu können, kann die maximal mögliche Turbinenleistung zur Verfügung gestellt werden. Dies erfolgt durch die vollständige Schließung der VTG-Schaufeln, damit der maximal mögliche Turbineneintrittsdruck erzeugt wird. Das kann genutzt werden, weil das erfindungsgemäße Brennverfahren eine sehr geringe Klopfneigung aufweist. Die benzinbefeuerte Brennkraftmaschine zeigt sich hier wesentlich sensitiver, so dass die überhöhten Abgasgegendrücke wohl nicht umgesetzt werden könnten.
Daher wird für die erdgasbefeuerte Brennkraftmaschine die vorhandene VTG-Kartusche der benzinbefeuerten Brennkraftmaschine so weiterentwickelt, dass sie in Kombination mit dem identischen Turbinenrad einen deutlich stärkeren Abgasdruckaufbau ermöglicht. In Verbindung mit der füllungsoptimalen Wahl der Steuerzeiten - die in dieser Ausprägung durch die
Klopffestigkeit des Brennverfahren möglich sind - ist dies die Grundlage für das gute
Ansprechverhalten des offenbarten Verfahrens. Im Lastsprung kann zudem eine Verschiebung der Schwerpunktlage des Zündwinkels (in Richtung späterer Verbrennung) vorgenommen werden, was den Vorteil hat, dass zusätzliche Enthalpie vor der Turbine bereitgestellt wird. Hierdurch wird die Turbinenleistung gesteigert, wodurch die Dynamik des Ladedruckaufbaus zusätzlich erhöht wird. Diese Vorgehensweise hat insbesondere bei Brennverfahren mit optimalen Schwerpunktlagen (wie bei CNG-Motoren) einen Nutzen, da der Vorteil der höheren Enthalpie vor Turbine den Nachteil des geringeren Motorwirkungsgrades (infolge der späteren Zündung) überwiegt.
Bei dem in die Brennkammer eingeblasenem Gas kann es sich um einen CNG-Kraftstoff handeln. Der Kraftstoff CNG hat den Vorteil einer hohen Klopffestigkeit, was eine niedrige Temperatur der Ladung ermöglicht und in wirkungsgradoptimalen Schwerpunktlagen resultiert.
Bei dem Brennverfahren kann ferner das Einlassventil geöffnet werden, bevor das Auslassventil bereits wieder geschlossen ist, so dass sich ein Einblas-Zeitfenster in einen Ansaugtakt hinein erstreckt.
Die Erfindung betrifft auch eine Motorsteuerung mit einem Prozessor, der dazu ausgelegt ist, das hier beschriebene Verfahren auszuführen. Der Prozessor der Motorsteuerung kann beispielsweise mittels Software-Instruktionen bewirken, dass Einlass- und Auslassventile gemäß dem vorgesehenen Zyklus geöffnet bzw. geschlossen werden. Insbesondere kann der Prozessor der Motorsteuerung dazu ausgelegt sein, dass taktweise wenigstens ein
Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer geöffnet und geschlossen werden, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird.
Insbesondere kann der Prozessor der Motorsteuerung dazu ausgelegt sein, ein frühes
Schließen des Einlassventils zu steuern. Auch kann der Prozessor der Motorsteuerung dazu ausgelegt sein, die Öffnung des Leitschaufelapparates eines VTG-Laders zu steuern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit VTG Turbolader in einem Fahrzeug mit Motorsteuergerät, in welchem ein Programm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorhanden ist, abbildet;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert; Fig. 3 den Soll- und Istladedruckverlauf während eines beispielhaften Lastsprunges zeigt;
Fig. 4 zusätzlich die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition zeigt;
Fig. 5 einen beispielhaften optimalen Abgasgegendruckaufbau für die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition gemäß Fig. 4 zeigt;
Fig. 6 eine beispielhafte Stellerbegrenzung der VTG im Lastsprung zeigt.
Fig. 7 den Wert der VTG-Stellung der aus der stationären Vorsteuerung resultiert zeigt; und
Fig. 8 beispielhaft den Wert des Dämpfereingriffs und den finalen, aus allen Teilprozessen resultierenden Wert für die Ansteuerung der VTG-Position zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 12, welche mit Erdgas (hier CNG), als Kraftstoff betrieben wird, in einem Fahrzeug 10 mit einem
Motorsteuergerät 30 und einem Motorblock 14. Die Brennkraftmaschine 12 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine fremdgezündete Brennkraftmaschine. Die
Brennkraftmaschine 12 wird mittels eines VTG-Verdichters (Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie) 18 aufgeladen.
Dem Motorblock 14, bevorzugt einem Hubkolbenmotor mit hier beispielhaft vier Brennkammern 26 oder Zylindern, wird durch eine Frischgasanlage 16 Luft zugeführt. Die Luft wird mit einem Verdichter 20 des VTG-Verdichters 18 in der Frischgasanlage 16 komprimiert. Stromab des Verdichters 20 befindet sich eine hier nicht zeichnerisch dargestellte Drosselvorrichtung. Jeder Brennkammer 26 ist ein Gasinjektor 28 zugeordnet, mit welchem Gas direkt in die
Brennkammer eingebracht werden kann. An die Gasinjektoren 28 wird das Gas ausgehend von einem hier nicht zeichnerisch dargestellten Gastank über ein hier nicht zeichnerisch
dargestelltes Gasrail verteilt. Das Gasrail befindet sich stromab eines hier nicht zeichnerisch dargestellten Druckminderventils, welches den Gasdruck vom Tankdruck auf den Gasraildruck reduziert. Das aus den Brennkammern 26 abgeführte Abgas gelangt in eine Abgasanlage 22, in welcher es zunächst eine Turbine 24 des VTG-Laders 18 antreibt. Das entspannte Abgas strömt danach durch hier nicht zeichnerisch dargestellte Komponenten der
Abgasnachbehandlung. Fig. 2 stellt schematisch den Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 12 mit einer Topologie gemäß der Fig. 1 wird mit Gas als Kraftstoff betrieben, wobei taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer 26 geöffnet und geschlossen werden sowie die verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird. Gegen Ende eines Arbeitstaktes wird das wenigstens eine Auslassventil geöffnet, um das Abgas aus der Brennkammer hauptsächlich während des Ausstoßtaktes zu entfernen.
In Schritt 36 wird das wenigstens eine Einlassventil für ein Einlassevent geöffnet. In Schritt 38 wird das Auslassventil geschlossen. Nach Schritt 38 beginnt das Zeitfenster, in welchem Gas in die Brennkammer eingeblasen wird (Schritt 40), wobei noch das Einlassventil geöffnet ist und die Brennkraftmaschine mittels des VTG-Laders aufgeladen wird. Das Einblas-Zeitfenster kann sich dabei in den Ansaugtakt hinein erstrecken. Es wird nicht mehr eingeblasen, sobald die Ladung mit dem eingeblasenen Gas in der Brennkammer 26 verdichtet wird. Das ist
insbesondere dann der Fall, wenn das Einlassventil geschlossen worden ist und gleichzeitig das Volumen der Brennkammer geometrisch reduziert wird. In einem Schritt 42 wird das wenigstens eine Einlassventil durch entsprechende Einstellung der Einlassnockenwelle geschlossen. Im stationären Zustand erfolgt dieses Schließen früh, insbesondere noch während des Ansaugetakts, also insbesondere bevor die Brennkammer 26 ein maximales Volumen erreicht hat und das Volumen noch zunimmt. Dieses frühe Schließen des Einlassventils (vgl.
Fig. 4, rechte Hälfte) im stationären Zustand wird im Folgenden auch als„Frühes
Einlassschliessen“ (FES) bezeichnet. In einem Lastsprung wird eine
Abgasgegendruckbegrenzung in vorgenommen. Beispielsweise wird bei einer
Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten, bis die Zielfüllung erreicht ist. Alternativ kann die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten werden, bis der Sollladeruck erreicht ist. Es schließt sich im Schritt 44 das Verdichten der Ladung an, welche danach gezündet wird, so dass ein nächster Arbeitstakt beginnt.
Bei dem Prozess kann es Vorkommen, dass das Einlassventil geöffnet wird, bevor das
Auslassventil bereits wieder geschlossen ist, und somit eine Ventilüberschneidung erfolgt, die zur Folge hat, dass Restgas aus dem Brennraum ausgespült wird (spülender Ladungswechsel).
In den folgenden Abbildungen werden der grundlegende Ablauf eines CNG-Lastsprungs und die hierfür erforderlichen Eingriffe sukzessive erläutert. Fig. 3 zeigt den Soll- und Istladedruckverlauf während eines beispielhaften Lastsprunges. Auf der Rechtswertachse des Diagramms ist die Zeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind Sollladedruck 50 (gestrichelte Linie) und Istladedruck 52
(durchgezogene Linie) in mbar über der Zeit aufgetragen. Infolge einer Lastanforderung bei ca. 0.8s springt der Sollladedruck 50 sprunghaft von etwa 1000 mbar auf etwa 1700 mbar an. Der Ist-Ladedruckaufbau 52, der aus der Lastanforderung resultiert, folgt der Lastanforderung mit Zeitverzögerung und erreicht das Sollniveau nach etwa 2s.
Fig. 4 zeigt zusätzlich die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition. Auf der Rechtswertachse des Diagramms ist wieder die Zeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind wie in Fig. 3 der Sollladedruck 50 (gestrichelte Linie) und der Istladedruck 52 (durchgezogene Linie) in mbar über der Zeit aufgetragen. Ferner sind auf der Hochwertachse die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54 in °KW gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hinzugefügt, welches das Ansprechverhalten verbessert. Zudem ist zum Vergleich die Einlassnockenwellenposition 56 bei stationärer Grundbedatung in °KW aufgetragen, welche aus einer Steuerung auf verbrauchsoptimale Werte im stationären Fall resultieren würde (d.h. ohne die erfindungsgemäße Verbesserung des Ansprechverhaltens). Ein Wert von 22 °KW markiert eine Referenzlage und wird in diesem Ausführungsbeispiel als füllungsoptimal erachtet. Von dieser Position wird die Nockenwelle in Richtung früherer Einlassöffnung verstellt, wodurch das Miller-Brennverfahren umgesetzt wird. Eine frühere Phasenlage benötigt in der Folge auch wieder einen höheren Ladedruck um den Füllungsverlust infolge des Miller-Brennverfahrens ausgleichen zu können. Um stationär den optimalen Verbrauch zu realisieren, geht die stationäre Grundbedatung 56 daher auch schnellstmöglich in Richtung früher Nockenwellenpositionen. Dadurch würde sich aber das Ansprechverhalten verzögern. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß bei einer Dynamikanforderung die Einlassnockenwelle länger in Referenzposition gehalten. Beispielsweise wird die Einlassnockenwellenposition in Abhängigkeit einer Zielfüllung und einer Istfüllung gesteuert, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Differenz von Zielfüllung und einer Istfüllung gesteuert werden. Alternativ kann die Einlassnockenwellenposition auch in Abhängigkeit eines Sollladedrucks und eines Istladedrucks (vgl. 50 und 52 in Fig. 3) gesteuert, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Differenz von Zielfüllung und einer Istfüllung gesteuert werden. Die Größen Zielfüllung und Istfüllung bzw. Sollladedruck und Istladedruck liegen dabei in der Motorsteuerung vor, so dass die Regelung darauf zugreifen kann. Auf diese Weise kann die Einlassnockenwelle beispielsweise so lange in der Referenzposition gehalten, bis die Zielfüllung bzw. der Sollladedruck erreicht ist. Erst dann erfolgt die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte. Die Umstellung aus der Referenzposition auf verbrauchsoptimale Werte kann dabei mit dem Fachmann bekannten Mitteln stufenartig oder kontinuierlich ausgelegt werden, so dass eine schnelle Umstellung oder, alternativ, eine graduelle Umstellung aus der Referenzposition auf verbrauchsoptimale Werte erfolgt.
Fig. 5 zeigt einen beispielhaften optimalen Abgasgegendruckaufbau für die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition gemäß Fig. 4. Auf der Hochwertachse sind wie in 4 der Sollladedruck 50, der Istladedruck 52 und die eingestellten Werte für die
Einlassnockenwellenposition 54 aufgetragen. Zudem ist auf der Hochwertachse der optimale Abgasgegendruckaufbau 58 in mbar für die eingestellten Werte für die
Einlassnockenwellenposition 54 aufgetragen. Hierdurch wird die eingangs beschriebene maximale Turbinenleistung erzeugt, um den schnellen Laderdruckaufbau überhaupt zu ermöglichen. Nach Erreichen des Sollladedrucks bei etwa 2s wird der dynamische Abgasdruck 58 sehr schnell auf seinen stationären Zielwert abgebaut.
Sehr hohe Unterschiede zwischen dem dynamischen und stationären Wert führen zu fahrverhaltensrelevanten Auffälligkeiten, weil sich das Brennverfahren extrem schnell von einem stark negativen Spülgefälle auf deutlich positivere Werten anpassen muss. Um dieses grundlegende Verhalten zu verbessern, wird erfindungsgemäß das Aufstauverhalten der VTG gegen Ende des Lastsprunges 52 reduziert. Konkret erfolgt dies in diesem Ausführungsbeispiel durch das Öffnen der VTG-Schaufeln bereits vor Erreichen des Sollladedrucks.
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Stellerbegrenzung der VTG im Lastsprung. Auf der
Rechtswertachse des Diagramms ist wieder die Zeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden aufgetragen. Auf der Hochwertachse sind wie in Fig. 5 der Sollladedruck 50 und der
Istladedruck 52 in mbar, die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54 in °KW und der optimale Abgasgegendruckaufbau 58 in mbar über der Zeit aufgetragen. Zudem ist die Stellerbegrenzung 60 der VTG in % im Lastsprung aufgetragen. Zu Beginn nimmt diese Größe einen Wert von 100 % ein. Die VTG-Schaufeln können also maximal geschlossen werden. Vor Erreichen des Sollladedrucks wird die VTG-Stellung dann aber auf niedrigere Werte limitiert und somit das Delta zwischen dynamischem und stationären Abgasgegendruck entscheidend reduziert.
Fig. 7 zeigt den Wert der VTG-Stellung der aus der stationären Vorsteuerung resultiert. Auf der Hochwertachse sind wie in Fig. 6 der Sollladedruck 50, der Istladedruck 52, die eingestellten Werte für die Einlassnockenwellenposition 54, der optimale Abgasgegendruckaufbau 58 und die Stellerbegrenzung 60 der VTG über der Zeit aufgetragen. Zudem ist der Wert der VTG- Stellung 62 in %, der aus der stationären Vorsteuerung resultiert, aufgetragen.
Um die Einregelung des Zielladedrucks 50 final einstellen zu können, erfolgt noch die
Koordination eines Dämpfereingriffs
Fig. 8 zeigt beispielhaft den Wert des Dämpfereingriffs und den finalen, aus allen Teilprozessen resultierenden Wert für die Ansteuerung der VTG-Position. Auf der Hochwertachse sind wie in Fig. 7 der Sollladedruck 50, der Istladedruck 52, die eingestellten Werte für die
Einlassnockenwellenposition 54, der optimale Abgasgegendruckaufbau 58, die
Stellerbegrenzung 60 der VTG und der aus der stationären Vorsteuerung resultierende Wert der VTG-Stellung 62 über der Zeit aufgetragen. Zudem sind der Wert 66 des Dämpfereingriffs und der finale, aus allen Teilprozessen resultierenden Wert 68 für die Ansteuerung der VTG- Position in % gezeigt. Durch den Dämpfereingriff 66 wird die VTG extrem schnell und um einen großen Betrag geöffnet. Somit kann der Istladedruck 52 hinreichend schnell abgefangen werden, so dass sich ein harmonisches Einregelverhalten einstellt. Im Lastsprungstart wird gemäß der Stellerbegrenzung 60 ein maximaler Wert der VTG-Position 68 von 100 % ermöglicht. Danach erfolgt die Limitierung infolge der Abgasgendruckreduktion und die
Einkoordinierung des Dämpfers 66. Schlussendlich folgt der Wert der VTG-Position 68 dem der stationären Vorsteuerung 62.
Zur weiteren Optimierung kann zusätzlich im Lastsprung auch eine Verschiebung der
Schwerpunktlage des Zündwinkels vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine
Verschiebung des Zündwinkels aus einer Schwerpunktlage von 8 °KW in eine spätere Lage von 9 °KW n erfolgen. Somit wird die Abgastemperatur und damit die Enthalpie vor der Turbine weiter angehoben. In der Folge steht mehr Turbinenleistung für den dynamischen
Ladedruckaufbau zur Verfügung. Das Motoransprechverhalten wird also noch dynamischer.
In Summe ist das Ansprechverhalten der erdgasbefeuerten Brennkraftmaschine gemäß diesem Ausführungsbeispiel also eine Kombination aus angepasster VTG-Auslegung, dynamischer Steuerzeitenwahl, Abgasgegendruckbegrenzung im Lastsprung und den klassischen
Mechanismen in der Ladedruckregelung. Alle diese Umfänge sind deutlich unterschiedlich bedatet, als bei der benzinbefeuerten Brennkraftmaschine, da hier durch die erhöhte
Klopfneigung abweichende Randbedingungen zu Grunde liegen. Bezugszeichenliste Fahrzeug
Brennkraftmaschine
Motorblock
Frischgasanlage
VTG-Turbolader
Verdichter
Abgasanlage
Abgasturbine
Brennkammer
Gasinjektor
Motorsteuergerät
Rechner
Speicherelement
Schritt des Öffnens des Einlassventils
Schritt des Schließens des Auslassventils
Schritt des Einblasens des Gases
Schritt des Schließens des Einlassventils
Schritt des Verdichtens der Ladung
Sollladedruck
Istladedruck
eingestellte Werte für die Einlassnockenwellenposition Einlassnockenwellenposition bei stationärer Grundbedatung dynamischer Abgasdruck
Stellerbegrenzung
VTG-Stellung, die aus der stationären Vorsteuerung resultiert Dämpfereingriff
resultierender Wert für die Ansteuerung der VTG-Position

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem taktweise wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil einer Brennkammer (26) geöffnet und geschlossen werden, sowie eine verdichtete Ladung mit eingeblasenem Gas fremdgezündet wird, wobei die Brennkraftmaschine mittels einem VTG-Lader aufgeladen wird und eine Abgasgegendruckbegrenzung in einem Lastsprung vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem bei einer Dynamikanforderung die
Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten wird, bis eine Zielfüllung erreicht ist, oder die Einlassnockenwelle so lange in der Referenzposition gehalten wird, bis ein Sollladedruck erreicht ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach Erreichen des
Sollladedrucks der dynamische Abgasdruck schnell auf seinen stationären Zielwert abgebaut wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges reduziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Aufstauverhalten des VTG-Laders gegen Ende des Lastsprunges reduziert wird durch Öffnen der VTG-Schaufeln bereits vor Erreichen des Sollladedrucks.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach dem Lastsprung die Umstellung auf verbrauchsoptimale Werte durch frühes Schließen des Einlassventils erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zur Einregelung des
Zielladedrucks ein Dämpfereingriff erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Lastsprung start ein maximaler Wert der VTG-Position eingestellt wird und danach eine Limitierung infolge der Abgasgendruckreduktion und der Einkoordinierung des Dämpfers erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Lastsprung eine Verschiebung der Schwerpunktlage des Zündwinkels vorgenommen wird.
10. Motorsteuerung mit einem Prozessor, der dazu ausgelegt ist das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
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