Suche in nationalen und internationalen Patentsammlungen
Einige Inhalte dieser Anwendung sind derzeit nicht verfügbar.
Wenn diese Situation weiterhin besteht, kontaktieren Sie uns bitte unterFeedback&Kontakt
1. (WO2004076840) VERFAHREN ZUR OPTIMIERUNG DES ARBEITS- UND BRENNVERFAHREN EINES DIESELMOTORS
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.
MAN B&W Diesel AG

Verfahren zur Optimierung des Arbeits- und Brennverfahren eines
Dieselmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Arbeits- und
Brennverfahren eines Dieselmotors im Hinblick auf minimale Schadstoffemission mit Common-Rail-Einspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vor dem Hintergrund der zunehmend strenger werdenden Emissionsgrenzwerte (TA Luft) insbesondere für stationäre Anlagen, Kraftwerke, Pumpstationen und Verdichteranlagen rückt die Absenkung der Schadstoffwerte für Stickoxide immer mehr in den Vordergrund der Motorenentwicklung.

So ist beispielsweise aus der DE 198 36 053 A1 eine Einrichtung zur
Steuerung/Regelung der Kraftstoffeinspritzung bekannt, die ein Common-Rail-Einspritzsystem umfasst und der Einspritzvorgang derart hinsichtlich einer minimalen Schadstoffemission optimiert wird, dass er in eine Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung sowie in eine Nacheinspritzung aufgeteilt wird. Insbesondere die Nacheinspritzung ermöglicht dabei eine deutliche Abgasverbesserung. Diese wird mittels Injektoren nach der Verbrennung der Haupteinspritzung zugemessen und im wesentlichen mit dem Abgas ausgestossen und reagiert in einem
zusätzlichen Katalysator zusammen mit dem Stickoxid zu unschädlichen
Bestandteilen.

Bekanntlich wird bei elektronisch geregelten Einspritzsystemen für Dieselmotoren, wie z.B. bei dem Common-Rail-Einspritzsystem, die in allen Motorbetriebspunkten einen frei wählbaren Einspritzdruck bereitstellen können, die
Brennstoffeinspritzung mittels eines Magnet- oder Piezoventils gesteuert. Die Bestromung des Magnetventils übernimmt eine elektronische Reglereinheit, oft als ECU (Engine Control Unit) bezeichnet, derart dass der Einspritzbeginn, die Einspritzdauer und die Menge der Einspritzung in Abhängigkeit von den
Betriebsparametern des Motors aus einem in der ECU abgelegten Kennfeld, das beispielsweise mittels eines Optimierungsverfahrens ermittelt wurde, hergeleitet werden können.

Somit wurden also bereits im Stand der Technik Strategien der
Einpritzverlaufsformung, wie sie für Speichereinspritzsysteme möglich sind, nämlich Einspritzdruck und Bestromungsbeginn für jeden Punkt im Drehzahl-Last-Kennfeld, wie beispielhaft in der DE 19747 231 A1 beschrieben, anzupassen, als geeignete Maßnahme zur Optimierung betrachtet.

Bei Einbeziehung eines Abgasturboladers in das Arbeits- und Brennverfahren des Dieselmotors stehen auf der Luftseite des dieselmotorischen Prozesses als zielführende Maßnahme zur NOx-Reduktion insbesondere die Abgasrückführung im Vordergrund. Auf der Kraftstoffseite gilt wie oben geschildert die Common-Rail-Einspritzung als wirkungsvolle Optimierungsmaßnahme. Dies ist insbesondere aufgrund der Flexibilität in der Bereitstellung der jeweils geeigneten Einspritzrate und Mischungsintensität prinzipiell unabhängig von Drehzahl und Motorlast möglich.

Neben dem Ziel, die NOx-Emission zu senken, besteht bei Dieselmotoren mit Abgasturboaufladung auch das Bedürfnis, die Erhöhung des Ladeluftdrucks zur luftseitigen NOx-Reduktion innermotorisch herbeizuführen. Hierzu geben die bekannten Verfahren keine Ansatzpunkte.

Unter Nacheinpritzung wird im Stand der Technik eine Haupteinspritzung, welche ca. 90% der einzuspritzenden Menge in sich vereinigt, gefolgt von einer kleineren, nachfolgenden Einspritzung (die im Stand der Technik in der ausklingenden Verbrennung erfolgen soll) verstanden. Damit kann man unter Festhaltung aller anderen Werte die Emission eines Schadstoffes (NOx oder Russ) oder den Brennstoffverbrauch mindern. Der Abstand zwischen Haupt- und
Nacheinspritzung kann innerhalb gewisser Grenzen variiert werden. Ist der

Abstand jedoch zu kurz, sind keine reproduzierbaren Resultate mehr möglich. Ist der Abstand allerdings zu lang, verschlechtern sich insbesondere die Russwerte wieder, da diese spät eingebrachte Menge selbst wieder Russ bildet. Gute
Resultate eröffnet im Versuch insbesondere bei einem aufgeladenen Dieselmotor die Verwendung von einer kleinen (>10% der Haupteinspritzmenge), direkt nachgelagerten (ca. 5 bis 15 °KW nach Ende der Haupteinspritzung) Einspritzung im oberen Lastbereich.

Bisher wird also Mehrfacheinspritzung (insbesondere die Nacheinspritzung) angewandt, um innermotorisch Schadstoffemissionen zu reduzieren. Im übrigen ist bekannt, dass auch eine abgesetzte Voreinspritzung zu einer Verbesserung der Schadstoffemissionen, insbesondere NOx-Emissionen, führen kann.

Hiervon ausgehend war es die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Optimierung des Arbeits- und Brennverfahren eines Dieselmotors im Hinblick auf minimale Schadstoffemission mit Common-Rail-Einspritzung und unter
Einbeziehung eines Abgasturboladers dahingehend weiterzubilden, dass ebenfalls die Enthalpie des Abgases innermotorisch über eine Einspritzverlaufsformung kurzfristig erhöht werden kann, so dass sich die abgegebene Leistung an der Abgasturbine und durch die mechanische Kopplung von Turbine und Verdichter der Luftmassendurchsatz und der Ladeluftdruck verdichterseitig in erwünschter Weise erhöht.

Dies ist besonders dann wünschenswert, wenn z.B. eine Lastaufschaltung erfolgt und die Russemissionen infolge Luftmangel ansteigen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch 1, die unter dem Begriff „Boost-Injection" zusammengefasst werden können, gelöst, d.h. durch Einspritzen von Kraftstoff in den Motorbrennraum unter den in Anspruch 1 genannten Randbedingungen nach der für den Lastpunkt erforderlichen, bereits erfolgten Haupteinspritzung.

In besonders vorteilhafter Weise können durch die erfindungsgemässe „Boost-Injection" Zusatzeinrichtungen für dynamischen Motorbetrieb, wie z.B. „Jet Assist", d.h. ein zusätzliches Aggregat zur Beschleunigung eines Abgasturboladers (Lufteinblasung bei Lastaufschaltung), einfach ersetzt werden, indem eben erfindungsgemäss eine Erhöhung des Ladeluftdruckes und des
Verdichtermassenstroms zukünftig innermotorisch erzielt wird.

Ausserdem ist es auch vorteilhaft, „Boost-Injection" an solchen Lastpunkten im Motorkennfeld einzusetzen, wo erfahrungsgemäss Abgasturbolader und
Dieselmotor nicht optimal aufeinander abgestimmt sind und der
Kraftstoffverbrauch eine untergeordnete Rolle spielt. In diesem Lastbereichen kann durch „Boost-Injection" ein solches Defizit ausgeglichen werden.

Im folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung verdeutlicht werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des zu verwendenden
Kraftstoffzumeßsystems, Fig. 2 eine grafische Darstellung der kurbelwinkelabhängigen
Nacheinspritzung.

Beispielsweise bei einer hier nicht dargestellten mehrzylindrigen
Dieselbrennkraftmaschine mit Turboaufladung wird die Kraftstoffzumessung mittels eines elektronischen Ventils bzw. mittels eines Magnetventils gesteuert. Das in Fig. 1 dargestellte Common-Rail-Einspritzsystem zeigt, dass jedem
Zylinder (also eines sechszylindrigen Motors) der Brennkraftmaschine ein Injektor 1 zugeordent ist. Die Injektoren 1 messen abhängig von der Ansteuerung 8 der Magnetventile der Brennkraftmaschine Kraftstoff zu. Die Injektoren 1 sind in bekannterWeise hydraulisch mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher 2 verbunden, der von einer Hochdruckpumpe 3 (hier mittels einer Nockenwelle 9 gesteuert) aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 4 mit Kraftstoff versorgt wird. Dem
Kraftstoffhochdruckspeicher 2 wird dabei durch die Hochdruckpumpe 3 möglichst nur die Kraftstoffmenge zugeführt, die dann auch von den Injektoren 1 entnommen wird.

Dazu kann die Fördermenge der Hochdruckpumpe 3 in Abhängigkeit des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 gesteuert werden. Zur Erfassung des Drucks ist ein Drucksensor 5 vorgesehen, dessen Ausgangswerte einer Steuereinheit (ECU) 6 zugeführt werden. Diese wertet das Drucksensorsignal aus, bringt es in Relation zu einem vorgegebenen Sollwert, der in einem Kennfeld abgespeichert ist, und steuert entsprechend der Abweichung vom Sollwert die Hochdruckfördermenge der Hochdruckpumpe. Dazu kann z.B. Einfluss auf ein Drosselorgan 7 in der Zuleitung der Hochdruckpumpe 3 genommen werden.

Zugleich dient das Kennfeld der Speicherung der Betriebsparameter der
Brennkraftmaschine,' die für die Bestimmung der Kraftstoffeinspritzmenge und des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes maßgeblich sind. Im wesentlichen wird der
Einspritzzeitpunkt auf einen optimierten Wert gehalten, der im Kennfeld abgelegt ist. In diesem Kennfeld sind weiterhin lastabhängig, d.h. in Abhängigkeit von der Haupteinspritzmenge, vom Ladeluftdruck oder der Turboladerdrehzahl (siehe weitere Eingänge 10, 11 der ECU), die Einspritzmenge und der Einspritzbeginn einer Nacheinspritzung, d.h. der „Boost-Injection" festgelegt.

Durch Bestromen 8 der Spulen der Magnetventile werden die entsprechenden Injektoren 1 angesteuert. Die Ansteuersignale für die Spulen legen dabei den Einspritzbeginn und das Einspritzende des Kraftstoffs durch die Injektoren fest, wobei jeweils beide Einspritzmengen, die der Haupteinspritzung und die der „Boost-Injection" in den jeweiligen Brennraum eines der Zylinder über denselben elektrisch gesteuerten Injektor 1 zugemessen werden.

In Fig. 2 sind verschiedene Grossen wie Ein- und Auslassventilsterzeiten,
Haupteinspritzung HE und die „Boost-Injection" BOOST über der Winkelstellung der Kurbelwelle des Motors (°KW) aufgetragen. Mit OT sind die oberen Totpunkte eines Zylinders bezeichnet. Die einzelnen oberen Totpunkte OT eines Zylinders besitzen einen Abstand von 360 °KW. Weiterhin sind die Zeiträume, in denen die Haupteinspritzung HE und eine Nacheinspritzung BOOST in einen einzelnen Zylinder erfolgen, sowie die Auslassventilöffnungszeiten AV und die
Einlassventilöffnungszeiten EV gekennzeichnet.

Die Haupteinspritzung HE des aufgeladenen Dieselmotors in einen der Zylinder erfolgt im Bereich des oberen Totpunkts OT bei 360 °KW. Die HE beginnt etwa 20 °KW vor dem OT und hat eine Dauer von etwa 30 bis 40 °KW, endet also 10 bis 20 °KW nach dem OT.

Um eine gute Wirkung der Nacheinspritzung BOOST auch auf die
Abgasemissionen erzielen zu können, sollte die „Boost-Injection" in einem bestimmten Zeitabschnitt erfolgen, dem eine Winkelstellung der Kurbelwelle (°KW) zugeordnet werden kann (siehe Fig. 2).

Im Gegensatz zu der bereits bekannten Nacheinspritzung, wo eine gewisse Menge (ca. 10% der Haupteinspritzmenge) kurz nach (ca. 5 bis 15 °KW nach der Haupteinspritzung) der Haupteinspritzung eingespritzt wird, wird bei „Boost-Injection" sehr viel später der Kraftstoff eingespritzt, und zwar zwischen 30 und 180 °KW, vorzugsweise bei ca. 50 °KW nach Ende der Haupteinspritzung, also im gezeigten Beispiel etwa bei 400 bis 550 °KW, vorzugsweise bei etwa 420 °KW. Ausserdem wird bei „Boost Injection" eine wesentlich grössere Menge von ca. 20 bis 30% der Haupteinspritzmenge eingespritzt, wobei die erforderliche Menge in der Regel die Einspritzdauer oder umgekehrt festlegt.

Je weiter weg die „Boost-Injection" BOOST von der Haupteinspritzung HE liegt, je grösser fällt die Einspritzmenge (zwischen 20 und 30% der HE-Menge) aus und umso mehr der eingespritzten Menge wird in Wärmemenge und somit in mechanische Leistung umgewandelt, wobei diesem Zusammenhang die
Forderung nach NOx- und Russreduzierung Grenzen setzt. Je kleiner die Menge der Einspritzung ausfällt um so näher kann an die HE zeitlich gerückt werden.

Für dynamische Lastaufschaltung, wie z.B. bei Off-Shore-Schiffen, die
insbesondere eine GPS-gesteuerte Positionseinhaltung bei Sturm aufweisen, wird entsprechend dem Kennfeld „Boost-Injection" zur Vermeidung von
Russemissionen durch die ECU eingeleitet.

In der ECU ist also ein Kennfeld gespeichert, in dem, wie bereits oben
beschrieben, lastabhängig, d.h. in Abhängigkeit von Haupteinspritzmenge, Ladeluftdruck oder Turboladerdrehzahl, die Einspritzmenge und der
Einspritzbeginn der „Boost-Injection" eben auch bei rascher Lastaufschaltung eingeleitet werden kann.

Die ECU erkennt eine Lastaufschaltung anhand der Einspritzmengenzunahme über eine bestimmte Zeit und schaltet die „Boost Injection" entweder zeitgesteuert frei, oder solange bis eine bestimmte Zunahme der Turboladerdrehzahl oder des Ladeluftdrucks erfolgt.

Die Zeitdauer der sogenannte Boost-Injection ist abhängig von der erforderlichen Einspritzmenge.