专利名称：用于运行自点燃式内燃机的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行自点燃式内燃机的方法以及一种根据权利要求12的前序部分的尤其用于执行该方法的内燃机。
背景技术：
文件DE 10 2007 022 230 Al说明了一种这种类型的方法，在其中，自点燃式内燃机在单燃料运行(Einstoffbetrieb)中被供以柴油而在双燃料运行中被供以柴油用于产生点火射束(ZUndstrahl)且供以气态的或液态的备用燃料(例如天然气、沼气、甲醇、乙醇等)。在柴油运行中出于效率原因值得期望的是，以增压、尤其废气涡轮增压的方式来运行内燃机，其中，增压压力调节可设置有旁通管路和旁通阀。在此，带有所控制的废气再循环阀的废气再循环主要用于降低废气中的NOx值。此外，通常在排气系统中应用氧化催化器，其此外消除在废气中析出碳烟颗粒。
发明内容
本发明的任务是提出一种这种类型的方法，利用其实现还在内燃机的双燃料运行中在额外花费较小的情况下保证用于获得低废气极限值的要求。此外，应说明一种用于执行该方法的在结构上且在控制技术上有利的内燃机。在方法方面的任务的解决方案利用权利要求1的特征来实现。在内燃机方面，该解决方案利用权利要求12的特征来实现。该方法和内燃机的有利的改进方案是相应的从属权利要求的内容。根据本发明提出，在双燃料运行中以提高的废气再循环率来运行内燃机，并且此外将抽吸系统中的空气供给节流成使得在废气中建立大于I至最大1.3、优选地大于I至最大1.2、最优选地1.03至·1.1、尤其大约1.05的lambda值。通过所提出的措施可有效地降低氮排放(NOx);还显著降低了碳氢化合物排放(HC)。此外，通过将燃烧用空气节流到所述lambda值这样来提高排气温度，使得后置的氧化催化器可提供在废气中的HC和CO成分的快速开始的、有效的转换。尤其以主要成分为甲烷的天然气的运行是大的挑战。在工作过程期间未燃烧的甲烷是非常稳定的化合物，其不能利用常用的柴油氧化催化器来氧化。特殊的甲烷氧化催化器需要450°C以上的高工作温度。现代的柴油发动机的排气温度明显低于该值。为了确保氧化催化器的有效性，还重要的是，由于给出的lambda值(化学计量上过量的空燃比)在废气中存在氧气足以使HC和CO的氧化成为可能。优选地，可借助于在抽吸系统中的节流阀来实现空气供给的节流，其此外根据应用在排气系统中的至少一个lambda传感器的信号来调节。lambda传感器因此不像通常那样控制燃料配量(其可根据特性场恒定地来配量)而是控制燃烧用空气的混入以调整lambda 值。此外提出，在双燃料运行中废气再循环率为所供给的空气量的40%或更多，即与柴油运行相比明显提高。该措施尤其引起氮排放的明显减少并且防止燃烧异常(如爆震的燃烧和过早自燃)的危险。由于在内燃机的燃烧室中的燃烧过程中的热力学区别，此外当在内燃机的双燃料运行中以预设的程度优选地持续地减小增压装置的增压压力时，是有利的，但是优选地对于带有废气涡轮增压的内燃机借助于至少一个废气涡轮增压器通过优选地持续地打开该至少一个旁通阀增压压力被强烈地复原。由于在双燃料运行中不以高的空气过量来运行，通过该措施可通过绕过该至少一个废气涡轮来减小排气背压(改善的气体交换)。在内燃机的双燃料运行中，为了进一步有利地影响燃烧过程，所配给的液态燃料量可被划分成预喷射和主喷射或者划分成主喷射和再喷射(Nacheinspritzung)或者划分成预喷射、主喷射和再喷射，其中，始终应在相应的气缸的上止点(OT)之前执行主喷射。在此优选地在低负荷(优选地定义为直至最大可能的扭矩的大约40%)时可在相应的气缸的OT之前至少15度而在相对高负荷(优选地定义为大于最大可能的扭矩的80%)时可在相应的气缸的OT之前大约2至5度执行液态燃料主喷射。此外，在主喷射中应喷射相应所需的液态燃料的70%至90%、尤其大约80%。此外，在双燃料运行中可经由喷射装置执行液态燃料的预喷射，由此使内燃机的燃烧室中的压力上升平缓。再喷射可有助于充气的改善的烧透性能(Druchbrennverhalten)且相应地有助于减少碳烟形成。此外在方法方面提出，在冷起动阶段中和/或在怠速运转中仅在单燃料运行中运转内燃机，以保证在冷运转范围中稳定的行驶特性和低的废气极限值。废气再循环到内燃机的抽吸系统中的废气在单燃料运行中可如本身已知的那样被冷却而在双燃料运行中被更少地或不被冷却，以在双燃料运行中尤其建立所供给的充气的均匀化和排气温度的提高。此外，通过激活更短的再循环管路或者减少集成到再循环管路中的AGR冷却器的冷却功能，在双燃料运行中可提高再循环的废气的排气温度。两个措施在结构上和在控制技术上可相对简单地实施。此外备选地或附加地，在带有压缩空气冷却器的内燃机中，在双燃料运行中可减少或中断压缩空气冷却器的冷却功能。根据本发明的内燃机特征在于，与在单燃料运行中相比，在双燃料运行中通过废气再循环阀的修正的控制以更高的废气再循环率来运行内燃机，并且此外，抽吸系统中的空气供给经由可控制的节流元件来节流成使得在废气中建立大于I至最大1.3、优选地大于I至最大1.2、最优选地1.03至1.1、尤其大约1.05的lambda值。尤其地，空气供给在双燃料运行中可借助于布置在排气系统中的至少一个lambda传感器在相应恒定的燃料供给的情况下经由节流元件来调节。优选地，lambda传感器可以是带有在0.7与4之间的测量范围的宽带lambda传感器，以保证在内燃机的整个运行范围上可靠地将抽吸系统中的节流元件或节流阀的调整到期望的lambda值上。在一在控制技术上简单的改型中，在内燃机的单燃料运行中抽吸系统的增压压力管路中的增压压力可经由绕过废气涡轮的至少一个旁通阀和旁通管路来控制，而在双燃料运行中旁通阀或多或或少持续地打开并且不发生增压压力调节，如这之前已所说明的那 样。如果使用气体作为备用燃料，气体混合器特别优选地可在节流阀下游作为围绕共同的增压压力管路的环形间隙混合器来布置，其中，必要时废气再循环管路的入口部(Muendung)可集成到环形间隙混合器中，以在尺寸在结构上紧凑的情况下已经在内燃机的燃烧室之外建立燃烧用空气、气体和再循环的废气的均匀混合。最后，在本发明的一优选的设计方案中可使用两个相互联结的电子的发动机控制仪，其中的一个以传统的方式控制单燃料运行中的液态燃料的配量、增压压力、废气再循环等而第二发动机控制仪如在方法权利要求中所列举的那样控制两个燃料类型的配量、根据排气系统中的lambda值的条件控制节流阀、经由再循环阀控制提高的废气再循环、通过打开旁通阀控制增压压力的减小且必要时经由废气再循环及其冷却控制排气温度。
下面根据在图1中的用于柴油运行和双燃料运行的内燃机的示意性的图示来详细阐述本发明的实施例。附图标记清单 I内燃机
2废气涡轮增压器低压级 2a压缩机 2b废气涡轮
3废气涡轮增压器高压级 3a压缩机 3b废气涡轮 4抽吸管路 5空气滤清器 6中间冷却器 7连接管路 8增压压力管路 9增压空气冷却器 10抽吸分配器 11水冷却器 12通风机 13排气歧管 14排气管路 15排气管路 16消声器 17旁通管路 18旁通阀 19冲程阀 20氧化催化器 21废气再循环管路 22废气再循环阀23废气再循环冷却器 24喷射阀 25喷射管路 26高压泵 27液态燃料箱 28发动机控制仪 29加速踏板
30环状间隙-气体混合器
31发动机控制仪
32气体管路
33截止阀
34过压阀
35气体压力调节器
36高压罐
37节流阀
38lambda传感器
39温度传感器。
具体实施例方式
在图1中，为了理解本发明所需要，示出了用于机动车、尤其商用车的自点燃的六缸往复活塞式四冲程内燃机1，其在单燃料运行中可利用液态燃料或柴油来运行而在双燃料运行中可利用作为点火源的柴油和备用燃料或在这里沼气(CH4)来运行。内燃机I具有带有两个废气涡轮增压器2、3(其串联地设计为低压级和高压级)的指示增压装置。在此，低压级的压缩机2a经由抽吸管路4和空气滤清器5抽吸燃烧用空气并且必要时经由联接到内燃机I的冷却系统(未详细示出)处的中间冷却器6将其输送到至高压级的第二压缩机3a的连接管路7中。从那里，被压缩的燃烧用空气经由带有集成的增压空气冷却器9的增压压力管路8被输送至抽吸分配器10且最后经由未示出的换气阀被输送给内燃机I的燃烧室。压缩空气冷却器9例如安装到内燃机I的冷却系统的冷却器11处，其以冷却空气通流通过在行驶运行中的滞止压力和借助于温度控制的、电气运行的通风机12实现。内燃机I在排气侧具有经由排气通道(无附图标记)与燃烧室相连接的排气歧管13，高压级的废气涡轮3b和紧接着低压级的废气涡轮2b经由共同的排气管路14联接到其处。从废气涡轮2b经由导出的排气管路15和至少一个消声器16将废气引出到大气处。在高压废气涡轮3b处布置有旁通管路17，其在绕过废气涡轮3b的情况下在废气涡轮3b上游和下游联接到排气管路14处。旁通管路17可经由旁通阀18控制流量，其中，根据增压压力管路18中的增压压力经由电气冲程阀19来操纵旁通阀18。在内燃机I的单燃料运行中旁通阀18以已知的方式被操纵用于调节增压压力。备选地或附加地，也可以以类似的方式在低压废气涡轮2b处设置有这样的旁通阀。在排气歧管13中或从内燃机I的燃烧室中离开的排气通道中应用CH4-氧化催化器2 ;此外，在排气管路14中在废气涡轮3b、2b上游设置有另外的CH4-氧化催化器20，其在它的大约450度的起燃温度(Anspringtemperatur)之上在相应的氧气饱和度的情况中将废气中的C、HC和CO成分氧化成H20和C02。此外，内燃机I设有外部的废气再循环装置，其由再循环管路21、再循环阀22和联接到内燃机I的冷却系统处的废气冷却器23组装而成。再循环管路21 —方面联接到排气管路14处而另一方面联接到增压压力管路8处。通过再循环阀22的相应的控制可以以期望的程度来确定废气再循环率。为了内燃机I在单燃料运行或柴油运行中的运行，以已知的方式设置有燃料喷射装置(例如共轨)，每个气缸主要带有喷射到燃烧室中的喷射喷嘴24、共同的燃料输送管路25和产生对于喷射所需的压力的高压泵26。电气控制的喷射阀24的喷射时间和喷射量经由第一电子发动机控制仪28根据负荷信号(加速踏板29)的条件、根据转速和温度信号(未详细实施)受特性场控制地来确定。对于内燃机I的双燃料运行，气体混合器或环形间隙混合器30作为用于天然气的供给装置集成到在抽吸分配 器10附近的压缩空气管路8中，其吹入阀(无附图标记)经由第二电子发动机控制仪31在吹入量方面来控制。环形间隙混合器30 (废气再循环管路21的入口部同样可在抽吸分配器10附近集成到其中)经由带有压力和温度传感器、带有两个截止阀33的气体管路32、过压阀34和气体压力调节器35联接到在此优选地多个高压天然气罐36处并且经由其在双燃料运行中被供应以天然气作为备用燃料。为了在内燃机I的燃烧室中点燃天然气，经由喷射喷嘴24附加地喷射算出的柴油量，其中，该喷射如下划分成预喷射、主喷射和再喷射:
主喷射始终在内燃机I的相应的气缸的OT之前实现并且在低负荷(直至最大可能的扭矩的大约40%)时为在OT之前至少15度而在高负荷(大于最大可能的扭矩的80%)时为在OT之前大约2至5度，在此，喷射相应所需的柴油的70%至90%、尤其大约80%。此外执行预喷射用于使内燃机的气缸中的压力提升平缓并且执行再喷射(再燃烧效应)用于避免废气中的碳烟成分。为了控制双燃料运行中的喷射，两个发动机控制仪28、31相应地相互交联，以便不仅控制代用燃料(天然气)的供给而且相应地控制作为点火源的柴油的供给。对此，此外在增压压力管路8中在气体混合器30上游设置有可电气控制的节流阀37，其根据在废气涡轮2b下游插入排气管路15中的宽带lambda传感器38和温度传感器
39(其联接到控制仪31处)的信号来这样节流燃烧用空气流，使得在废气中存在大于I至最大1.3、尤其1.05的lambda值(Iambda=I已知相应于化学计算的空燃比,而Iambda=L 05或更大相应于稀薄混合气运行(Magerbetrieb)或空气过量)。宽带lambda传感器38优选地具有lambda 0.7至4的测量范围。在双燃料运行中需要的柴油和备用燃料或天然气的混入在控制仪28、30的特性场控制中根据负荷信号、转速信号、温度传感器39的温度信号和经由废气再循环阀22调整的废气再循环(其相对于单燃料运行提高到40%或更大的值上以提高内燃机I的排气温度)的条件实现。对此，必要时可由此进一步提高再循环的废气的温度，即，使废气冷却器23短路，而或者由此，即应用不一样长的再循环管路21 (未示出)，在其中废气或多或少地遗失热能。对此，此外必要时可通过减小或切断经由增压压力冷却器9的冷却(未示出)来提高增压管路8中的燃烧用空气的温度。在单燃料运行中或在柴油发动机运行中(优选地为了起动内燃机I)和在冷运转范围中，经由发动机控制仪28以通常的方式来控制液态燃料的喷射，此外还通过旁通阀18的操控来调节增压压力且经由再循环阀22来调节废气再循环率。节流阀37始终打开。经由第二发动机控制仪31根据排气系统中的lambda传感器38的lambda值的条件来控制备用燃料或天然气的配量、所需的作为点燃源的柴油的量、节流阀37的控制并且通过再循环阀22的相应的操控来控制提高的废气再循环。此外，旁通阀18经由冲程阀19被完全打开，由此增压压力或多或少强烈地减小。最后，必要时经由在再循环管路21中和/或在增压压力管路18中的减小的冷却来进一步提高内燃机I的排气温度。氮排放(NOx)和碳氢化合物排放(HC)通过这些措施被显著降低。此外，通过将燃烧用空气节流到上述lambda值将排气温度提高成使得后置的氧化催化器20可提供废气中的HC和CO成分的快速开始的、有效的转化。在此还重要的是，由于给出的lambda值(化学计量上过量的空燃比)在废气中存在氧气足以使HC和CO能够氧化成H20和C02。本发明不限于所说明的实施例。尤其地，在内燃机I的双燃料运行中也可使用以气态的或液态的形式的其它备用燃料，其中，用于备用燃 料的燃料输送装置相应地来构造。氧化催化器20和/或lambda传感器38的布置也可不同于所示出地实施。代替带有废气润轮增压器2和3的指示增压(Registeraufladung),也可设置有简单的废气涡轮增压或压缩机增压。在如所说明的指示增压中，必要时还可在两个旁通管路17中设置有两个旁通阀18，其相应使废气涡轮(3b和2b)短路。此外，代替备用燃料的所说明的供给(单点)，也可执行到内燃机I的气缸盖侧的抽吸通道中的气缸选择性的多点喷射或吹入。决定性的是方法参数，借助于其在内燃机I的双燃料运行中将空气供给的lambda调节(经由节流阀37)调整到大约1.05并且同时将废气再循环率显著提高到40%或更高。该措施必要时与另外的可任意选择地提出的特征的相结合导致更快开始的、更高效的废气净化。
权利要求
1.一种用于运行尤其用于机动车的自点燃式内燃机的方法，所述内燃机在单燃料运行中被供以自点燃的液态燃料而在双燃料运行中被供以所述液态燃料作为点燃介质以及供以气态的或液态的备用燃料，其中，所述液态燃料经由喷射装置被引入所述内燃机的燃烧室中并且燃烧用空气经由设置在抽吸系统中的用于调节增压压力的增压装置被预压缩，其中，此外设置有输送装置，经由其能够在所述双燃料运行中将所述备用燃料引入所述抽吸系统中，此外带有废气再循环装置，其经由废气再循环阀将所述内燃机的废气引回到所述抽吸系统中，其中，经由至少一个电子控制仪根据运行特定的和/或必要时行驶动力的参数的条件将所述燃料量配量成使得获得所要求的功率和与在所述燃烧室下游接入的至少一个废气净化装置相联系地限定的废气极限值，其特征在于，在所述双燃料运行中以相对于所述单燃料运行提高的废气再循环率来运行所述内燃机(I)，并且此外在所述抽吸系统(8)中将空气供给节流成使得在废气中建立大于I至最大I. 3、优选地大于I至最大I. 2、最优选地I. 03至I. I的lambda值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，借助于在所述抽吸系统(8)中的节流阀(37)来实现所述空气供给的节流，其此外至少根据应用在所述排气系统(15)中的至少一个lambda传感器(38)的信号来调节。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，在所述双燃料运行中，所述废气再循环率为所供给的空气量的40%或更多。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(I)的双燃料运行中所述增压装置(2，3)的增压压力以预设的程度优选地持续地减小。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在带有废气涡轮增压器(2，3)的内燃机(I)中，设置有绕过废气涡轮(3b)的至少一个旁通阀(18)，借助于其在所述内燃机(I)的单燃料运行中来控制在所述抽吸系统的增压压力管路(8)中的增压压力，其中，在所述内燃机(I)的双燃料运行中所述旁通阀(18)以限定的程度优选地持续地打开。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(I)的双燃料运行中，将所配给的液态燃料量划分成预喷射和主喷射或者划分成预喷射、主喷射和再喷射，其中，始终在相应的气缸的上止点(OT)之前执行所述主喷射。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(I)的双燃料运行中且在低负荷、优选地直至最大可能的扭矩的大约40%时在相应的气缸的OT之前至少15度实现液态燃料主喷射并且/或者在所述双燃料运行中且在高负荷、优选地大于最大可能的扭矩的80%时在相应的气缸的OT之前大约2至5度执行液态燃料主喷射。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述双燃料运行中在主喷射时喷射相应所需的液态燃料的70%至90%、尤其大约80%。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在冷起动阶段并且/或者在怠速运转中仅以所述单燃料运行来运行所述内燃机。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，废气再循环(21，22，23)到 所述内燃机(I)的抽吸系统(8)中的废气在所述单燃料运行中被冷却，而相反地在所述双燃料运行中再循环的废气的排气温度优选地通过减小集成在所述再循环管路(21)中的AGR冷却器(23)的冷却功能来提高。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于带有压缩空气冷却器(9)的内燃机(I)，在所述双燃料运行中减小或中断所述压缩空气冷却器(9)的冷却功能。
12.一种尤其用于执行根据前述权利要求中一项或多项所述的方法的内燃机，其中，液态燃料经由喷射装置(24，25，26)被引入所述内燃机(I)的燃烧室中并且燃烧用空气经由用于调节增压压力的至少一个废气涡轮增压器(2，3)被预压缩，其中，此外设置有输送装置(30，35)，经由其能够在双燃料运行中将备用燃料引入抽吸系统(8)中，此外带有废气再循环装置(21，22，23)，其经由废气再循环阀(22)将所述内燃机的废气引回到所述抽吸系统(8)中，其中，经由至少一个电子控制仪(28，31)根据运行特定的和/或必要时行驶动力的参数的条件将燃料量配量成使得获得所要求的功率和与在所述燃烧室下游接入的至少一个废气净化装置相联系地限定的废气极限值，其特征在于，在所述双燃料运行中通过所述废气再循环阀(22)的修正的控制以比在所述单燃料运行更高的废气再循环率来运行所述内燃机(I)，并且此外经由可控制的节流元件(37)将在所述抽吸系统(8)中的空气供给节流成使得在废气中建立大于I至最大I. 3、优选地大于I至最大I. 2、最优选地I. 03至I. I的lambda值,所述节流元件(37)根据应用在所述排气系统(15)中的至少一个lambda传感器(38)的信号来调节。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，使用气体作为备用燃料并且气体混合器布置在所述节流阀(37)下游作为围绕共同的增压压力管路(8)的环形间隙混合器(30)。
14.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述废气再循环管路(21)的入口部集成到所述环形间隙混合器(30)中。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的内燃机，其特征在于，设置有两个电子的发动机控制仪(28，31)，其中的一个(28)控制在所述单燃料运行中液态燃料的配量、增压压力和废气再循环，而第二发动机控制仪(31)控制两个燃料类型的配量、根据在所述排气系统中的lambda值的条件控制所述节流阀(37)、经由所述再循环阀(22)控制提高的废气再循环、控制旁通阀(18)用于减小在所述增压压力管路(8)中的增压压力并且/或者必要时经由废气再循环及其冷却控制排气温度。
全文摘要
本发明涉及一种用于运行自点燃式内燃机的方法，内燃机在单燃料运行中被供以自点燃的液态燃料而在双燃料运行中被供以液态燃料作为点燃介质且供以气态的或液态的备用燃料，设置有输送装置，经由其可在双燃料运行中将备用燃料引入抽吸系统中，带有废气再循环装置，其经由废气再循环阀将内燃机的废气引回到抽吸系统中，经由至少一个电子控制仪将燃料量配量成使得获得所要求的功率和限定的废气极限值。为了获得改进的运行特性提出，在双燃料运行中以提高的废气再循环率运行内燃机，并且此外在抽吸系统中将空气供给节流成使得在废气中建立大于1至最大1.3、优选地大于1至最大1.2、最优选地1.03至1.1的lambda值。
文档编号F02M43/00GK103256127SQ20131005243
公开日2013年8月21日 申请日期2013年2月18日 优先权日2012年2月16日
发明者F.W.普吕姆 申请人:曼卡车和巴士股份公司