DE102009055734A1

DE102009055734A1 - Multifuel-Diesel-Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009055734A1
Application number: DE102009055734A
Authority: DE
Inventors: Matthias Lamping; Andreas Kolbeck
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-01
Also published as: US20110120416A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine, die vorzugsweise zumindest zum überwiegenden Teil nach dem Diesel-Prinzip betrieben wird, mit einer Multifuel-Anpassung, die auf unterschiedliche Mischungen verschiedener Kraftstoffe reagiert und eine Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine daran anpasst, wobei die Multifuel-Anpassung zumindest die folgende Elemente umfasst:
– eine Kraftstoffcharakterisierung,
– eine in Abhängigkeit von einem charakterisierten Kraftstoff anpassbare Brennraumbefüllung,
– eine jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Fremdzündung,
– zumindest ein Steuergerät, das implementiert eine erste Regelstrategie aufweist, bei der in einem unteren Lastbereich eine Fremdzündung ausgeführt wird, und eine zweite Regelstrategie, bei der eine Selbstzündung in einem zum unteren Lastbereich höheren Lastbereich ausgeführt wird,
– eine an den charakterisierten Kraftstoff automatisch adaptierbare Verbrennungslageregelung und
– eine an den charakterisierten Kraftstoff automatisch adaptierbare Umsatzratenregelung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine, die bevorzugt zumindest zum überwiegenden Teil nach dem Diesel-Prinzip mit Selbstzündung betrieben wird, die aber ebenfalls mittels einer Fremdzündung und/oder mit einer Zündungsunterstützung wie einer Glüheinrichtung betreibbar ist.
Durch die Problematik einer globalen Klimaerwärmung und einer Forderung nach einer starken Reduktion der CO₂-Emissionen wächst der Wunsch, zumindest einen Teil des auf fossilen Rohöl – basierenden Kraftstoffes durch einen regenerativen hergestellten Anteil ersetzen zu können. Dabei ist noch nicht vollständig klar, welche Strategie zur Substitution verfolgt wird bzw. verfolgt werden kann. Es erscheint gemäß eines ersten Ansatzes sinnvoll, eine teilweise Substitution eines Dieselkraftstoffes vorzusehen. Damit stellt sich eine erste Forderung nach sicherem Motorbetrieb mit verschiednen dieselähnlichen Kraftstoffmischungen.
Weiterhin ist bereits heute zumindest schon in Europa der Anteil des verbrauchten Dieselkraftstoffes im Straßenverkehr deutlich höher als der des Ottokraftstoffes. Daran wird sich allem Anschein nach auch in Zukunft nichts ändern. Eine Folge davon ist, dass Diesel- und Ottokraftstoff zwischen Regionen mit unterschiedlichem Otto- und Dieselmotorenanteil jeweils verschoben wird, um die Effizienz des Herstellungsprozesses in der Raffinerie hoch zu halten. Ein deutlich größerer Anteil von Dieselfahrzeugen in anderen Märkten würde eine derartige Praxis deutlich einschränken und bei einer Gesamtsystembetrachtung zu einem starken Effizienzverlust und somit zu höheren CO₂ Emissionen beim Herstellungsprozess führen.
Als eine Folgerung daraus ergibt sich, dass Otto-Diesel-Gemische, die im Selbstzündungsverfahren verbrannt werden, diese Schere verschieben können.
Darüber hinaus gibt es in anderen Märkten wie China, Indien, U. S. A. und auch in Russland zum Teil stark schwankende Kraftstoffqualitäten. in den U. S. A., einem Markt, in dem in den nächsten Jahren verstärkt Fahrzeuge mit modernsten Dieselmotoren angeboten werden, schwanken die Kraftstoffqualitäten und -eigenschaften sogar stark innerhalb einzelner Bundesstaaten.
Daraus folgend muss eine Verbrennungskraftmaschine in der Lage sein, diese unterschiedlichen Kraftstoffe mit möglichst hoher Effizienz sauber zu verbrennen. Geht man davon aus, dass das Kraftstoffangebot sich sogar noch weiter differenzieren wird, da verschiedene Quellen fossile und regenerative Kraftstoffe genutzt werden müssen, um den Personen- und Gütertransport aufrechtzuerhalten, werden diese Anforderungen noch weiter zunehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbrennungskraftmaschine und eine Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine vorzusehen, mit der unterschiedliche Kraftstoffe robust und mit höchstem Wirkungsgrad unter Einhaltung von aktuellen Abgasgrenzwerten umgesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einer Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die jeweiligen dort hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausgestaltungen beschränkt sondern können vielmehr mit anderen Merkmalen aus der allgemeinen Beschreibung wie auch aus der Figurenbeschreibung zu Weiterbildungen verknüpft werden.
Es wird eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die bevorzugt zum zumindest überwiegenden Teil nach dem Diesel-Prinzip betrieben wird. Die Verbrennungskraftmaschine weist eine Multifuel-Anpassung auf, die auf unterschiedliche Mischungen verschiedener Kraftstoffe reagiert und eine Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine daran anpasst, wobei die Multifuel-Anpassung zumindest die folgenden Element umfasst:

– eine Kraftstoffcharakterisierung,
– eine in Abhängigkeit von einem charakterisierten Kraftstoff anpassbare Brennraumbefüllung,
– eine jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Fremdzündung,
– zumindest ein Steuergerät, dass implementiert eine erste Regelstrategie aufweist, bei der in einem unteren Lastbereich eine Fremdzündung ausgeführt wird, und eine zweite Regelstrategie, bei der eine Selbstzündung in einem zum unteren Lastbereich höheren Lastbereich ausgeführt wird,
– eine an den charakterisierten Kraftstoff automatisch adaptierbare Verbrennungslageregelung und
– eine an den charakterisierten Kraftstoff automatisch adaptierbare Umsatzratenregelung.

Mittels einer Verknüpfung aller Maßnahmen, die zwar einzeln jeweils zum bekannten Stand der Technik gehören, nicht aber in ihrer Gesamtheit, gelingt es, verschiedenste Kraftstoffe stabil über alle Betriebsbereiche zum Einsatz zu bringen.
Eine derartige Verbrennungskraftmaschine ist zum Beispiel bevorzugt einsetzbar bei Kraftfahrzeugen für den Straßenverkehr ebenso wie bei Nutzfahrzeugen, bei denen transiente Betriebsphasen im Stadtverkehr wie auch laststabile Betriebsphasen auf Autobahnen auftreten, aber auch bei Industriemotorenanwendungen, zum Beispiel bei stationären Anlagen. Dieses können Notstromversorgungen sein, aber auch Blockheizkraftwerke oder andere Energieerzeugungsanlagen. Insbesondere ist es möglich, dass neben üblichen zur Zeit im Straßenverkehr verkäuflichen Kraftstoffen Kraftstoffe mit einer niedrigeren Cetanzahl sowie einer Siedelinie, die Siedetemperaturen abweichend von herkömmlichen Dieselkraftstoffen aufweisen, eingesetzt werden können. Bevorzugt können unterschiedlichste Kraftstoffe genutzt werden, allein oder in Gemischen miteinander. Insbesondere können mit einer derartigen Verbrennungskraftmaschine hohe Zündverzüge so kompensiert werden, dass derartige Kraftstoffgemische eine Selbstzündung in weiten Bereichen eines Betriebskennfeldes der Verbrennungskraftmaschine aufweisen. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein variables Verdichtungsverhältnis vorgesehen ist. Mittels einer variablen Hubsteuerung besteht die Möglichkeit, in unterschiedlichen Bereichen einen unterschiedlichen Hub vorzusehen. Gemäß einer Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass im unteren Lastbereich eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erfolgt, während in einem oberen Lastbereich eine Absenkung des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen wird. Dieses kann beispielsweise Bestandteil der ersten bzw. zweiten Regelstrategie sein. Hinsichtlich der Auswirkung der Nutzung von verschieden bisher schon bekannten Kraftstoffen wird z. B. auf das SAE-Paper "Tomorrow's Diesel Fuel Diversity – Challenges and Solutions", Lamping, Körfer et al, 08SFL-0047 verwiesen. Dort geht die Untersuchung der Eigenschaften von verschiedenen Kraftstoffen und deren Einfluss auf das Betriebsverhalten einer Verbrennungskraftmaschine hervor. Zum anderen wird dort eine Regelstrategie vorgeschlagen, wie entsprechend der unterschiedlichen Eigenschaft des jeweiligen Kraftstoffes die Verbrennungskraftmaschine betrieben werden kann durch entsprechende Anpassung von Voreinspritzung und Haupteinspritzung. Auf diese Weise ist es in gewissen Grenzen möglich, einen zündunwilligen Kraftstoff trotzdem rechtzeitig zur Zündung kommen zu lassen, so dass eine Selbstzündung in unterschiedlichsten Betriebsbereichen ermöglicht wird. Im Rahmen der Erfindung wird auf diese Druckschrift diesbezüglich vollumfänglich Bezug genommen. Darüber hinaus wird hier nunmehr zusätzlich vorgeschlagen, dass mittels eines variablen Ventiltriebs, einer Anpassung der Brennraumbefüllung und einer Hubraumanpassung mittels der Charakterisierung des Kraftstoffes vorzugsweise nicht nur zu Beginn eines Starts der Vertrennungskraftmaschine, sondern darüber hinaus auch während des Betriebs der Tatsache Rechnung getragen wird, dass bei Betankung mit unterschiedlichen Kraftstoffen nicht stets der gleiche Kraftstoff zur Verfügung steht. So können mit der vorgeschlagenen Verbrennungskraftmaschine Otto-Kraftstoffe mit zum Beispiel ROZ 91 bis ROZ 98 wie auch Diesel-Kraftstoffe, aber auch Mischungen daraus umgesetzt werden.
Die Kraftstoffcharakterisierung weist gemäß einer Ausgestaltung z. B. einen Kraftstoffsensor auf, mittels dem eine Charakteristik des Kraftstoffes detektierbar ist. Dieses kann beispielsweise über eine Analyse des Kraftstoffes erfolgen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Detektierung einer Charakteristik über ein Zündverzugshalt erfolgt. Beispielsweise ist ein Messwertaufnehmer vorhanden, der in dieser Art als Kraftstoffsensor fungiert. Bei einer Testzündung kann über die Aussetzung der Verbrennung und Verzugszeit auf die Charakteristik eines Kraftstoffes geschlossen werden. Zum Beispiel wird die Zündverzugszeit mittels eines Zylinderdrucksensors und einer Berechnung der Verbrennung ermittelt. Bevorzugt erfolgt dieses zylinderselektiv. Beispielsweise weist jeder Zylinder hierfür einen Zylinderdrucksensor auf. Dieser kann zum Beispiel integriert in einer Zündeinrichtung, insbesondere einer Zündkerze vorliegen. Wird beispielsweise ein Schwellwert des erlaubten Zündverzugs überschritten, erfolgt eine Änderung der Zylinderbefüllung mit damit einhergehender Änderung und insbesondere Verkürzung der Zündverzugszeit. Ebenfalls besteht damit auch die Möglichkeit, die Zündverzugszeit zu verlängern, zum Beispiel wenn sich dieses vorteilhaft auf die Emissionen auswirkt. Eine Änderung kann auch unabhängig von einem Schwellwert erfolgen. Eine Regelstrategie kann hierfür verschiedene Umsetzungen aufweisen. Über die Verbrennungslageregelung kann sodann eine weitere Feinjustierung im Rahmen des Regelkonzepts erfolgen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Charakterisierung des Kraftstoffes in Form einer Erkennung erfolgt. Beispielsweise weißt die Verbrennungskraftmaschine z. B. einem Steuergerät und eine Datenbank auf, in der verschiedenste Kraftstoffe und Eigenschaften hinterlegt sind. Diese Datenbank kann beispielsweise regionsabhängig mit Daten hinterlegt sein. Auf diese Weise kann z. B. der Aufwand bei der Charakterisierung vereinfacht werden, da z. B. durch eine geringe Anzahl an Messungen, bevorzugt mittels nur einer einzigen Messung eine ausreichende Eigenschaftscharakterisierung für den Kraftstoff vorliegt und dieser dadurch anhand der in der Datenbank hinterlegten Daten wieder erkannt werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass neben einer Automatisierung dieser Kraftstofferkennung durch die Kraftstoffcharakterisierung auch eine äußere Eingabe der Kraftstoffcharakterisierung ermöglicht ist. So kann beispielsweise durch den Tankvorgang die Möglichkeit bestehen, dass beim Tanken von der Tankstelle eine Information an das Fahrzeug und insbesondere an ein Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine weitergeleitet wird, aus der die Charakterisierung des Kraftstoffes entnehmbar ist.
Eine Verbrennungslageregelung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden. So ist es beispielsweise aus der DE 197 498 17 A1 bekannt, den Beginn der Kraftstoffeinspritzung und die Verbrennungslage aus einer Differenz zwischen einem gemessenen Druckverlauf und einem berechneten Druckverlauf zu ermitteln. Des Weiteren ist es beispielsweise aus der WO 2005/005813 A2 bekannt, aus einer einem Brennraum zugeordneten Zustandsgröße den Beginn der Kraftstoffeinspritzung und/oder den Inertgasanteil in dem Brennraum einzustellen. Ferner ist aus der WO 2005/005813 A2 eine Regelung einer Kraftstoffeinspritzung bekannt, bei der unter Verwendung eines Verbrennungslagereglers der Beginn und die Dauer der Kraftstoffeinspritzung brennraumselektiv unter Berücksichtigung des jeweils letzten Arbeitszyklus eingestellt wird. Eine weitere Ausgestaltung einer Verbrennungslagereglung geht wiederum aus der zur Veröffentlichung anstehenden PCT/EP 2008/004175 der Anmelderin hervor. Im Rahmen der Offenbarung wird auf die obigen Druckschriften voll inhaltlich hinsichtlich der jeweiligen Verbrennungslageregelung wie aber auch deren jeweiligen Komponenten verwiesen.
Die Umsatzratenregelung wiederum kann ebenfalls in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden. Eine erste Umsatzratenreglung geht beispielsweise aus der DE 10 2007 013 119 A1 , eine andere, zweite Umsatzratenregelung aus der DE 10 2006 015 503 A1 hervor. Im Rahmen der Offenbarung der Erfindung wird auf den Inhalt dieser beiden Druckschriften ebenfalls diesbezüglich vollumfänglich Bezug genommen.
Die anpassbare Brennraumbefüllung, die in Abhängigkeit von dem charakterisierten Kraftstoff erfolgt, wird bevorzugt von einem Steuergerät, insbesondere dem für die Einspritzung zuständigem Steuergerät im Wesentlichen bestimmt. Unter Brennraumbefüllung ist hierbei die gezielte Befüllung des Brennraums mit Luft, Brennstoff aber auch Abgas gemeint, zum Beispiel durch gezielte interne und/oder externe Abgasrückführung. Diese sind insbesondere aufeinander abstimmbar. Auch kann die Brennraumbefüllung vorsehen, wie die Befüllung erfolgt, zum Beispiel durch entsprechende Einstellung von Strömungspfaden, beispielsweise zur Erzeugung eines Swirl und/oder eines anderen Strömungsverhaltens. Die Brennraumbefüllung kann hierbei auf unterschiedliche Art und Weise angepasst werden. So kann neben einer Einfach- und Mehrfacheinspritzung, eine Piloteinspritzung, eine Nacheinspritzung, eine Rateneinspritzung, eine kontinuierliche oder sich ändernde Einspritzung wie aber auch eine Änderung hinsichtlich einer Abgasrückführung ermöglicht werden. Eine Abgasrückführung kann beispielsweise als innere Abgasrückführung durch entsprechende Schaltung des einem Zylinder zugeordneten Ventiltriebs erfolgen, indem die Ventile so geschaltet werden, dass sie ein Rückströmen von schon verbranntem Abgas aus dem Abgastrakt in den Brennraum ermöglichen. Eine externe Abgasrückführung kann beispielsweise mittels einer Umleitung erfolgen, wobei ein Rückfluss über diese Umleitung durch ein Abgasrückführungsventil zumindest gesteuert, bevorzugt aber geregelt wird. Des Weiteren kann die Luftbefüllung durch entsprechende Betätigung der Einlass- bzw. Auslassventile ebenfalls an die Charakteristik des Kraftstoffes angepasst werden. Bevorzugt ist es daher, dass ein variabler Ventiltrieb zumindest auf der Auslassseite, bevorzugt aber auch auf der Einlassseite zumindest für jeweils ein Ventil, bevorzugt für alle Ventile eines Zylinders vorgesehen ist. Der variable Ventiltrieb kann beispielsweise mittels einer Nockenverstellung, einer Nockenwellenverstellung, durch mechanische, hydraulische oder sonstige Ventilbetätigungsmechanismen wie beispielsweise elektromechanische oder elektromagnetische Ventiltriebe erfolgen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass neben einer variablen Brennraumbefüllung in Abhängigkeit vom charakterisierten Kraftstoff auch das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Mittels eines variablen Verdichtungsverhältnisses wird beispielsweise in einem unteren Lastbereich das Verdichtungsverhältnis je nach Kraftstoffeigenschaft auf mindestens 18 eingestellt. Dadurch ist es möglich, eine Temperatur der Zylinderfüllung und ihn anzuheben und damit eine sichere Selbstzündung erzielen zu können. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, mittels eines variablen Ventiltriebes und einer inneren Abgasrückführung eine Temperatur der Zylinderfüllung ebenfalls anzuheben. Insbesondere wird der variable Ventiltrieb sowie die innere Abgasrückführung nebst einer Anhebung des Verdichtungsverhältnisses im unteren Lastbereich eingesetzt, um eine Selbstzündung stabilisieren zu können und um des Weiteren eine Reduktion von HC- und CO-Emissionen gleichzeitig zu ermöglichen. Insbesondere ist die Betriebsweise ausschließlich nach dem Diesel-Prinzip möglich. Auf diese Weise ist die Verbrennungskraftmaschine als reine Diesel-Verbrennungskraftmaschine bei entsprechend genutzter Kraftstoffqualität einsetzbar. Wird hingegen eine Kraftstoffmischung zugeführt, z. B. ein Kraftstoff mit Cetanzahlen über 40 sowie Siedetemperaturen von über 150°C für die Verdampfung der 10 Vol-% des Kraftstoffs und Siedetemperaturen über 200°C für die Verdampfung von 90 Vol-% des Kraftstoffs oder des Kraftstoffgemisches, lässt sich dieser Dieselbetrieb auch weiter aufrecht erhalten. Wird allerdings ein Kraftstoff der Kraftstoffmischung so ausgewählt, dass im Gesamtergebnis das Kraftstoffgemisch eine Cetanzahl hat, die <40 und insbesondere <30 und beispielsweise in einem Cetanzahlbereich zwischen 10 bis 25 sich bewegt, wobei die jeweilige Siedetemperatur des verwendeten Kraftstoffanteils ebenfalls geändert sind, lässt sich diese Verbrennungskraftmaschine nicht mehr im gesamten Kennfeldbereich und unter allen Randbedingungen als reine Diesel-Verbrennungskraftmaschine betreiben. Vielmehr kommt es aufgrund der Absenkung der Cetanzahl zu einer Zündverzugszeit des Kraftstoffes, die steigt. Um eine Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine unter Heranziehung der vorgegebenen Emissionen jedoch sicher zu stellen, wird beispielsweise eine Verbrennung über eine Glüh-, Oberflächen– oder Funkenzündung eingeleitet und sichergestellt. So kann des Weiteren eine Zündunterstützung und/oder eine Fremdzündung vorgesehen sein. Die Fremdzündung kann zum Beispiel eine geschützte Glühkerze vorsehen, zum Beispiel mit einem Hüllkörper, der Penetrationen aufweist, eine Glühkerze mit hochfestem Material, eine Otto-ähnliche Zündkerze allein oder zusätzlich zur Glühkerze. Über eine Ausrichtung von ein oder mehreren Kraftstoffstrahlen zur Zündeinrichtung kann des Weiteren die sichere Zündung unterstützt werden.
So kann in einer Ausgestaltung bei abgesenkter Cetanzahl in einem oberen Lastbereich, bei dem eine Temperatur der Zylinderfüllung für eine Selbstzündung auseichend ist, eine Verbrennung nach dem dieselmotorischen Prinzip aufrecht erhalten werden. In einem unteren Lastbereich, in dem eine Selbstzündung jedoch nicht mehr sichergestellt ist, da sie aufgrund der niedrigen Cetanzahl gar nicht oder nur noch stochastisch erfolgt, wird eine Verbrennung mittels Zündunterstützung sichergestellt. So ist beispielsweise jedem Zylinder jeweils eine Glühkerze und/oder eine Zündkerze zugeordnet, um damit einem Betrieb gemäß der ersten Regelstrategie sicherstellen zu können. Hierbei ist ebenfalls vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine aufgrund der Kraftstoffcharakterisierung in unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben wird. Das Steuergerät weist hierzu unterschiedliche Regelungsstrategien auf. So kann beispielsweise ein Start der Verbrennungskraftmaschine durch Selbstzündung wie aber auch durch Fremdzündung erfolgen. Hierbei kann eine Regelstrategie entscheiden, in welchem Zustand sich die Verbrennungskraftmaschine befindet und wie die Kraftstoffcharakterisierung sich hierauf auswirkt. Ist beispielsweise die Umgebung der Verbrennungskraftmaschine derart, dass sehr niedrige Temperaturen vorliegen und die Verbrennungskraftmaschine selbst ausgekühlt ist, andererseits die Cetanzahl gemäß Kraftstoffcharakterisierung sehr niedrig ausfällt, so kann über das Steuergerät eine Fremdzündung in einem Startmodus der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben werden. Ist beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine in einem Betriebszustand, der als warm zu bezeichnen ist, zusätzlich die Cetanzahl gemäß Kraftstoffcharakterisierung derart, dass die Zündfähigkeit ausreichend ist, kann ein Startmodus durch Selbstzündung ausgeführt werden. Wird beispielsweise ein Start-Stop-Modus wie er typisch für Stadtverkehr ist, ausgeführt, kann auch dort in diesem Start-Stop-Modus ein Wechsel zwischen Selbstzündung und Fremdzündung erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit von der Charakterisierung des Kraftstoffes und bevorzugt auch unter Einbindung einer Zustandserkennung hinsichtlich des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine.
Beispielsweise ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die erste und zweite Regelstrategie in einem Regelalgorithmus gemeinsam hinterlegt sind. Der Regelalgorithmus selbst ist wiederum so ausgestaltet, dass zum Beispiel in Unabhängigkeit von z. B. der Charakteristik des Kraftstoffes wie auch der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine eine Umschaltung von Selbstzündung in Fremdzündung und umgekehrt erfolgt. Dabei ist allerdings vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine zum überwiegenden Teil nach dem Dieselprinzip betrieben wird und nur dann, sofern die Cetanzahl bzw. die Charakteristik des Kraftstoffes es nicht anders zulässt zum Beispiel unter Berücksichtigung einerseits von Emissionen, des Verbrennungsgeräuschs und/oder der Verbrennungsstabilität, anderseits vom anzuwendenden Kraftstoff selbst und damit des Wirkungsgrades, die Umschaltung zwischen Fremd- und Selbstzündung erfolgt.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die automatisch adaptierbare Verbrennungslageregelung in der Lage ist, in einer jeweils bestehenden Region vorhandene Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verbrennungskraftmaschine in zumindest ein oder mehreren Steuergeräten eine entsprechende Abgasregelung hinterlegt aufweist, die insbesondere auch beinhaltet, in Bezug zur jeweils aktuellen Emissionsregelung ausgelegt zu sein.
Eine Brennraumbefüllung kann beispielsweise ausgeführt werden, wie aus in der DE 102 005 007 057 der Anmelderin selbst beschrieben wird. Auf die dort enthaltene Beschreibung wie auf die Vorgehensweise und die dortigen Figuren wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung vollständig Bezug genommen, ebenso wie auch auf den dort genannten Stand der Technik. Eine Zylinderdruckverlaufsregelung, die ebenfalls bei der vorgeschlagenen Verbrennungskraftmaschine bzw. der vorgeschlagenen Betriebsweise eingeht, geht beispielsweise aus der DE 10 2007 012 604 der Anmelderin hervor. Auf diese wird ebenfalls vollständig im Rahmen der Offenbarung Bezug genommen. Ein Regelsystem zur Regelung der Abgasrückführung geht beispielsweise aus der WO 2008/131788 bzw. der WO 2008/131789 wie aber auch aus der DE 10 2009 016 509 der Anmelderin hervor. Auf diese wird im Rahmen der Offenbarung ebenfalls vollständig Bezug genommen. Eine Verbrennungslageregelung wie auch eine Vorsteuerung einer Verbrennungslageregelung wiederum geht aus der PCT/EP2008/004175 der Anmelderin hervor. Auf diese wie auch auf die dort genannten Druckschriften hinsichtlich einer Verbrennungslageregelung wird ebenfalls im Rahmen dieser Offenbarung vollständig Bezug genommen. Aus der DE 20 2004 000 300 geht wiederum eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine und eine Kraftstoffzusammensetzung dafür hervor. Aus der DE 10 2006 01.5 503 A1 und aus der DE 102 007 013 119 A1 gehen Verfahren zur Regelung des Einspritzverlaufs hervor. Auf diese Druckschriften wird ebenfalls vollständig im Rahmen der Offenbarung Bezug genommen. Eine Turboladerregelung geht beispielsweise aus der DE 199 601 66 hervor. Eine Aufladung der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht insbesondere, die Befüllung des Zylinders zu verbessern. Eine Aufladestrategie wiederum ist vorzugsweise in eine Regelung eingebunden, damit eine Fremdzündung bzw. Selbstzündung in unterschiedlichen Betriebsbereichen ausführbar ist. Die Umsatzratenregelung wiederum kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung beispielsweise auf einer Qualitätssteuerung basieren, bei der das Motordrehmoment in Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmenge als Parameter der Steuerung genutzt wird. Auch kann dieses in Form eine Reglung erfolgen. Eine Brennkammer der verwendeten Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise mit ungeteiltem Brennraum wie auch mit unterteiltem Brennraum vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Vorkammer den eigentlichen Hauptbrennraum vorgeordnet sein, wobei über die Vorkammer zumindest ein Teil des einzuspritzenden Kraftstoffgemisches zugeführt wird.
Gemäß eines weiteren Gedankens der Erfindung wird eine Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die mit einem Kraftstoffgemisch betrieben wird, welches einen ersten und zweiten Kraftstoff aufweist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest überwiegend nach dem Diesel-Prinzip arbeitet, wobei eine erste Regelstrategie in einem unterem Lastbereich eine Fremdzündung ausführt und eine zweite Regelstrategie einer Selbstzündung in einem zum unteren Lastbereich höheren Lastbereich ausführt. Angepasst an diese Betriebsweise kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Kraftstoffgemisch charakterisiert wird und eine Verbrennungslageregelung daran angepasst wird. Auch kann mittels Kraftstoffcharakterisierung eine Umsatzregelung angepasst werden. Die Zylinderbefüllung erfolgt ebenfalls in Abhängigkeit von der Charakterisierung des Kraftstoffgemisches. Bevorzugt wird die Verbrennungskraftmaschine bzw. die Betriebsweise einer derartigen Verbrennungskraftmaschine bei einem Kraftstoffgemisch eingesetzt, welches eine Cetanzahl von unter 40, bevorzugt von unter 35, insbesondere von unter 30 und vorzugsweise bis zu 10 hat und eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen 90°C (10 Vol-%) und 200°C (90 Vol-%) aufweist.
Eine beispielhafte Anwendung der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine wie oben und auch anhand der nachfolgenden Figuren noch beschrieben, sieht vor, dass ein oder mehrere Betriebsmodi der Verbrennungskraftmaschine auf eine Abgasnachbehandlung abgestellt sind, bevorzugt auf einen Regenerationsbetrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eines Partikelfilters, auf einen Heizbetrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder einer Erzielung einer Erhöhung eines DeNOx-Wirkungsgrads einer Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Eine Möglichkeit einer DeNOx-Vorrichtung ist mittels eines SCR-Katalysators, Selective Catalytic Reduction, ermöglicht, bei dem Stickoxide NOX mit Hilfe von Ammoniak NH3 zu Stickstoff und Wasserdampf reduziert werden. Als Reduktionsmittel wird oftmals Harnstoff in wässriger Lösung verwendet. Andere Verfahren verwenden Ammoniumcarbamat, wodurch die Lagerung und Handhabung wesentlich vereinfacht wird. Eine DeNOx-Vorrichtung kann auch als HC-SCR-Ktalysatorfunktionieren, bei dem als Reduktionsmittel Kohlenwasserstoffe, insbesondere C2-C5-Olefine genutzt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Verwendung eines NSR-Katalysators, eines NOx-Speicher-Reduktionskatalysators. Bei diesen Verfahren wird das Reduktionsmittel für die Regeneration des Speichers während kurzer fetter Betriebsphasen motorgeneriert zur Verfügung gestellt. Zwischen den Regenerationen werden die Stickoxide in Form von Nitraten auf dem Katalysator gespeichert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die dort jeweils dargestellten Ausgestaltungen sind jedoch nicht beschränkend, sondern beispielhaft. Einzelne oder mehrere Merkmale einer Ausgestaltung können auch losgelöst davon mit anderen Merkmalen einer anderen Ausgestaltung wie aus der obigen Beschreibung zu Weiterbildungen verknüpft werden. Es zeigen:
1 eine konventionelle Betriebsweise der Diesel-Verbrennungskraftmaschine,
2 eine erste Betriebsstrategie bei warmer Verbrennungskraftmaschine,
3 eine weitere Betriebsstrategie bei kaltem Motor,
4 eine dritte Betriebsstrategie,
5 eine vierte Betriebsstrategie bei kaltem Motor,
6 eine fünfte Betriebsstrategie bei warmem Motor,
7 eine vereinfachte Charakterisierung eines Kraftstoffbereichs.
1 zeigt in einer ersten Ausgestaltung einen Betrieb der Diesel-Verbrennungskraftmaschine im konventionellen Selbstzündungsbetrieb. Im warmen wie auch im kalten Motorbetrieb wird über die gesamte Drehmomenterzeugung ausschließlich eine Selbstzündung ausgeführt. Dieses wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Kraftstoff-Spezifikation eine Cetanzahl von >40 aufweist und der Kraftstoff eine Siedetemperatur ab 150°C bis 200°C bei 10 Vol-% bzw. 90 Vol-% aufweist. Das bedeutet, die vorgeschlagene Diesel-Verbrennungskraftmaschine ist in der Lage, als ausschließlich im Dieselbetrieb arbeitende Verbrennungskraftmaschine eingesetzt zu werden. Diese Regelstrategie wird bei der Charakterisierung des Kraftstoffes, der getankt wird, festgelegt.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass vorzugsweise eine Füllstandsbewertung des noch im Tank befindlichen Kraftstoffes nebst deren Charakterisierung beispielsweise in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine hinterlegt ist. Wird nunmehr ein anderer Kraftstoff mit anderer Kraftstoffcharakteristik zugetankt, wird automatisch in Abhängigkeit von der zugetankten Menge, die beispielsweise durch den Füllstand im Tank festgestellt wird, eine Änderung der Charakterisierung des Kraftstoffes vorgenommen. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass mit der Betankung selbst Informationen zu dem Kraftstoff an das Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine übertragen werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Verbrennungskraftmaschine mittels entsprechender Sensorik von unterschiedlichsten Kraftstoffgemischen zu verschiedensten Zeitpunkten eine Charakterisierung des Kraftstoffes vornimmt und eine Regelung hinsichtlich der anzuwendenden Betriebsweise entsprechend anpasst.
2 zeigt eine Betriebsstrategie bei warmer Diesel-Verbrennungskraftmaschine in beispielhafter Ausgestaltung. Während in einem unteren Drehmomentbereich eine Selbstzündung mittels beispielsweise angepasster Zylinderfüllung und Kalibrierung einer Einspritzung erfolgt, darüber hinaus eine innere Abgasrückführung über einen variablen Ventiltrieb und eine Glühunterstützung genutzt werden kann, sofern beispielsweise nur noch eine stochastische Selbstzündung festgestellt wird, ist bevorzugt auch vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt wird und insbesondere auf einen Wert von ε > 18 in diesen Bereich der Selbstzündung eingestellt wird. Wird ein höheres Drehmoment abverlangt, wird beispielsweise das Verdichtungsverhältnis auf ε > 15 abgesenkt. Eine derartige Betriebsweise wird insbesondere bei einer Cetanzahl von 25 bis 40 bei verwendeten Kraftstoffgemisch vorgenommen, insbesondere dann, wenn eine Siedetemperatur zwischen 90°C bis 200°C bei 10 Vol-% bzw. Vol-90% sich einstellt.
Durch die Absenkung der Verdichtung bei hohen Drehmomenten wird die Gemischbildung verbessert sowie eine hohe spezifische Leistung bewirkt. Im Selbstzündungsbereich wird überstöchiometrisch das Gemisch eingestellt, wobei zusätzlich eine Absenkung des Einspritzdrucks vorgesehen sein kann. Zum Beispiel kann eine Druckregelung des Kraftstoffs vorsehen, dass dieser von 1500 bar auf einen Bereich unter 1000 bar, vorzugsweise unter 600 bar geregelt wird. Hierzu kann zum Beispiel eine Hochdruck-Pumpe zweistufig sein, so dass Verluste minimiert werden. Auch besteht die Möglichkeit, eine Mengenregelung zur Anpassung des Einspritzdrucks vornehmen zu können
3 zeigt eine zweite Betriebsstrategie, die bevorzugt bei kalter Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird. Auch hier kommt ein Kraftstoffgemisch bevorzugt aus erstem und zweitem Kraftstoff mit Siedetemperaturen ab 90°C mit 10 Vol-% bis 200°C bei 90 Vol-% und einer Cetanzahl zwischen 25 bis 40 zur Anwendung. Im unteren Bereich kommt es zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses auf einen Wert ε > 18, der bei höherer Drehmomentabforderung auf einen Wert abgesenkt wird, der ε > 15 ist. Zwischen diesem Selbstzündungs- und Fremdzündungsbereich wird ein weiterer Betriebsbereich eingeführt. In diesen erweiterten Betriebsbereich wird angepasst entschieden, ob schon eine Umstellung in den Fremdzündungsmodus erfolgen muss oder aber ob noch Selbstzündung vorliegt.
4 zeigt eine dritte Betriebsstrategie bei Verwendung eines Kraftstoffes, bei dem die Cetanzahl zwischen 10 und 40 liegt. Hier wird ein warmer Motor vorausgesetzt, wobei eine Selbstzündung bei hohen Drehmomenten vorgesehen ist, während eine Glüh- oder eine Oberflächenzündung bei niedrigerem Drehmomenten erfolgt. Dieses ist durch entsprechende Schraffur kenntlich gemacht. Bei der Glüh- bzw. Oberflächenzündung erfolgt insbesondere eine Adaption von Einspritzparametern wie Mehrfacheinspritzung, Einspritzzeitpunkt und Dauer, einer Einspritzmenge wie auch eine Anpassung des Raildruckes, sofern ein Common Rail genutzt wird. So kann beispielsweise der Raildruck abgesenkt werden, wenn eine Glüh- bzw. Oberflächenzündung zum Einsatz gelangt.
6 zeigt eine weitere Betriebsstrategie, die auf dem Betrieb einer warmen Diesel-Verbrennungskraftmaschine aufsetzt. Angenommen ist eine Kraftstoffspezifikation mit einer Cetanzahl zwischen 10 und 40 und einer Siedetemperatur der Kraftstoffmischung ab 90°C für 10 Vol-% bis 200°C bei 90 Vol-%. Im oberen Drehmomentbereich wird eine dieselmotorische Verbrennung mittels Selbstzündung durch die Regelung vorgenommen. In einem direkt darunter liegenden Drehmomentbereich erfolgt eine Anpassung der Zylinderbefüllung über den variablen Ventiltrieb bzw. über eine angepasste Hubverstellung, wobei ebenfalls eine Adaption von Einspritzparametern z. B. durch Mehrfacheinspritzung, Veränderung der Einspritzzeitpunkte wie auch eine Erhöhung oder Absenkung des Einspritzdruckes erfolgt. Darunter angeordnet bei niedrigen Drehmomenten wird eine Glüh- bzw. Oberflächen- oder aber auch eine Funkenzündung vorgenommen, wobei ebenfalls die oben genannten Einspritzparameter entsprechend adaptiert werden.
7 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Siedekennlinie bzw. Charakterisierung eines Kraftstoffbereiches, wobei in einem unteren Bereich Cetanzahlen zwischen 10 bis 40 angeordnet sind, während im oberen Bereich sich Cetanzahlen > 40 ergeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19749817 A1 [0013]
WO 2005/005813 A2 [0013, 0013]
EP 2008/004175 [0013, 0020]
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DE 102006015503 A1 [0020]
DE 19960166 [0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE-Paper ”Tomorrow's Diesel Fuel Diversity – Challenges and Solutions”, Lamping, Körfer et al, 08SFL-0047 [0011]

Claims

Diesel-Verbrennungskraftmaschine, die vorzugsweise zumindest zum überwiegenden Teil nach dem Diesel-Prinzip betrieben wird, mit einer Multifuel-Anpassung, die auf unterschiedliche Mischungen verschiedener Kraftstoffe reagiert und eine Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine daran anpasst, wobei die Multifuel-Anpassung zumindest die folgende Elemente umfasst: – eine Kraftstoffcharakterisierung, – eine in Abhängigkeit von einem charakterisierten Kraftstoff anpassbare Brennraumbefüllung, – eine jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Fremdzündung, – zumindest ein Steuergerät, das implementiert eine erste Regelstrategie aufweist, bei der in einem unteren Lastbereich eine Fremdzündung ausgeführt wird, und eine zweite Regelstrategie, bei der eine Selbstzündung in einem zum unteren Lastbereich höheren Lastbereich ausgeführt wird, – eine an den charakterisierten Kraftstoff automatisch adaptierbare Verbrennungslageregelung und – eine an den charakterisierten Kraftstoff automatisch adaptierbare Umsatzratenregelung.
Diesel-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Zylinder jeweils eine Glühkerze und/oder Zündkerze zugeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Zylinder ein variabler Ventiltrieb zugeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis an einem Zylinder variabel einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung eines Einspritzdrucks in Abhängigkeit von der Kraftstoffcharakterisierung vorgesehen ist.
Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Kraftstoffgemisch, welches einen ersten und einen zweiten Kraftstoff aufweist, betrieben wird, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest überwiegend nach dem Diesel-Prinzip arbeitet, wobei eine erste Regelstrategie in einem unteren Lastbereich eine Fremdzündung ausführt und eine zweite Regelstrategie eine Selbstzündung in einem zum unteren Lastbereich höheren Lastbereich ausführt.
Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffgemisch charakterisiert wird und eine Verbrennungslageregelung und eine Umsatzrate daran angepasst wird.
Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderbefüllung in Abhängigkeit von der Charakterisierung des Kraftstoffgemisches eingestellt wird.
Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation eines Zündverzugs und/oder Stabilisierung einer Selbstzündung ein variables Verdichtungsverhältnis an einem Zylinder eingestellt, eine interne Abgasrückführung mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder eine externe Abgasrückführung ausgeführt wird.
Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein variables Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der Charakterisierung des Kraftstoffes auf mindestens 18 eingestellt wird.
Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Charakterisierung des Kraftstoffs ein Einspritzdruck abgesenkt wird.
Anwendung einer Verbrennungskraftmaschine und/oder einer Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Kraftstoffgemisch, das eine Cetanzahl von unter 40, bevorzugt von unter 35, insbesondere von unter 30 und bis zu 10 hat und eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen 90°C und 200°C aufweist.
Anwendung eines Ottokraftstoffs mit einer ROZ von bevorzugt zumindest 91 zum Betrieb der Diesel-Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Selbstzündungsverfahren.
Anwendung einer Verbrennungskraftmaschine und/oder einer Betriebsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Betriebsmodi der Verbrennungskraftmaschine auf eine Abgasnachbehandlung abgestellt sind, bevorzugt auf einen Regenerationsbetrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eines Partikelfilters, auf einen Heizbetrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder einer Erzielung einer Erhöhung eines DeNOx-Wirkungsgrads einer Abgasnachbehandlungseinrichtung.