ZU DEREN BETRIEB

Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, dabei insbesondere Verbrennungsmotoren mit Direkteindüsung eines gasförmigen Brennstoffs.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, Verbrennungsmotoren, insbesondere Gasmotoren, mit äußerer Gemischbildung zu betreiben und das Gas-Luft-Gemisch durch Fremdzündung zu zünden. Auch bekannt sind sogenannte Dual Fuel Verbrennungsmotoren bei denen das Gas-Luft-Gemisch durch eine kleine Menge eines Pilot-Brennstoffs, zum Beispiel Diesel, gezündet wird. Solche Dual Fuel Verbrennungsmotoren können auch im reinen Dieselbetrieb betrieben werden.

Nachteilig an solchen Verbrennungsmotoren ist eine begrenzte Effizienz aufgrund des relativ tiefen Verdichtungsverhältnisses, welches erforderlich ist, um ein unkontrolliertes Verbrennen durch Selbstzündung des Gas-Luft-Gemischs zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil solcher Verbrennungsmotoren besteht in der eingeschränkten Dynamik bei Lasterhöhungen.

Auch bekannt sind Verbrennungsmotoren mit direkter Eindüsung eines Gases in den Brennraum, wobei das Gas üblicherweise mit etwa 250 bis 500 bar eingedüst wird. Diese Eindüsung der Gasmenge in den Brennraum beginnt typischerweise etwa zum Ende des Kom- pressionstaktes nahe dem oberen Totpunkt (OT). Eine kleine Menge eines Pilot-Brennstoffs, zum Beispiel Diesel, oder eine Fremdzündung, zum Beispiel eine Zündkerze, wird eingesetzt, diesen Gasstrahl zu zünden.

Verbrennungsmotoren mit Gas-Direkteindüsung weisen üblicherweise einen hohen thermischen Wirkungsgrad auf, der aus dem hohen Verdichtungsverhältnis resultiert. Dieses führt auch zu einem fast identischen Wirkungsgrad im reinen Dieselbetrieb. Bei dynamischen Vorgängen, im Zweistoff-Betrieb und bei reinem Dieselbetrieb ist das Verhalten vergleichbar zu dem reiner Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Zu den Nachteilen der Gas-Direkteindüsung gehören hohe NO _x -Emissionen, da das eingebrachte Gas vor allem in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird. Als nachteilig kann ferner der signifikante Energieaufwand angesehen werden, der zur Kompression des Gases auf den Eindüsungs-Druck aufgebracht werden muss. Wegen der prinzipbe- dingt hohen NO _x -Emissionswerte werden Motoren mit Gas-Direkteindüsung und dieseltypischem Verdichtungsniveau daher häufig - je nach Emissionsgesetzgebung oder Umweltrichtlinien der Zielmärkte - mit Maßnahmen zur Minderung dieser Problematik ausgestattet, etwa einer Abgasrückführung oder selektiver katalytischer Reduktion (SCR).

CA 2838120 AI offenbart einen direkteinspritzenden, gasbetriebenen Motor, der mittels Selbstzündung eines Pilot-Brennstoffs gezündet wird.

Vor dem Hintergrund des Standes der Technik besteht Bedarf nach Verbrennungsmotoren mit Gas-Direkteindüsung und Verfahren zu deren Betrieb, die verbesserte Eigenschaften, insbesondere eine verbesserte Emissions-Charakteristik aufweisen.

Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 11.

In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur stickoxid-armen Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs im Brennraum eines Verbrennungsmotors mit innerer Gemischbildung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Eindüsen einer ersten Gasmenge wäh- rend des Ansaugvorgangs; die Kompression des Gas-Luft-Gemischs; das Eindüsen einer zweiten Gasmenge beginnend während oder zum Ende der Kompression, wobei die erste und die zweite Gasmenge so gewählt werden, dass ein vorgegebener Wert der NO _x -Emission nicht überschritten wird; das Zünden des Gas-Luft-Gemisches; und das Verbrennen der Ge- samt-Gasmenge aus erster Gasmenge und zweiter Gasmenge, wobei die erste Gasmenge vor- gemischt verbrannt wird, und die zweite Gasmenge vorwiegend in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird. Zudem wird ein entsprechender Verbrennungsmotor vorgeschlagen.

Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das hybride Verbrennungskonzept - mit einer Kombination aus vorgemischter Verbrennung und mischungskontrollierter Verbrennung - einen Betrieb mit einem hohen Anteil an vorgemischter Verbrennung ermöglicht. Dies er- möglicht die Erzielung niedriger NO _x -Emissionen durch einen geringen Anteil an mischungs- kontrollierter Verbrennung des eingedüsten Gasstroms, sowie eine erhöhte Kontrolle über den Verbrennungsprozess.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführ- liehen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen des Systems vorgestellt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann anhand der ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den angehängten Figuren ersichtlich. Dabei zeigen: Fig. 1 zeigt ein Eindüsungsschema gemäß einem Verfahren nach Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Verbrennungsmotor zum Ausführen eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, ist der Schutzbereich der Erfindung nicht auf dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch für den Fachmann naheliegende Ausführungsformen.

So wie er in dieser Offenbarung verwendet wird, bedeutet der Ausdruck:„ein vorgegebener Wert der NO _x -Emission nicht überschritten wird", dass dieser Wert verschiedene Bezugsrah- men haben kann. Der Wert kann sich etwa auf die aufsummierte Emission aus einem definierten Fahrzyklus beziehen, oder auf die gemittelte Emission aus einer definierten Zeitspanne, oder im Mittel per abgegebener Energiemenge (z.B. 3,5 g/kWh) oder auch einen Wert in Echtzeit oder eine Massenkonzentration (z.B. 1 g/Nm3) darstellen.

Grundsätzlich betreffen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsmotoren mit Gas-Direkteindüsung, wobei ein hybrides Verbrennungsverfahren zur Anwendung kommt. Gemäß der hierin verwendeten Bedeutung bezieht sich„hybrides Verbrennungsverfahren" darauf, dass ein Teil des Brennstoffs in einer vorgemischten Verbrennung und ein Teil in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird. Grundsätzlich wird dazu, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, die Gas-Eindüsung in den Zylinder in mindestens zwei zeitlich voneinander getrennte bzw. beabstandete Vorgänge aufgeteilt. Die erste Gaseindüsung geschieht während des Einlass-Taktes, wodurch eine nahe- zu homogene Durchmischung dieser ersten Gasmenge mit Luft ermöglicht wird. Nahe dem oberen Totpunkt wird dann typischerweise ein flüssiger Pilot-Brennstoff eingespritzt, gefolgt von der Eindüsung einer zweiten Gasmenge. Die erste Gasmenge verbrennt in einer vorgemischten Verbrennung des gebildeten weitgehend bzw. idealerweise homogenen Gas-Luft- Gemischs. Die zweite Gasmenge wird dagegen in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt. Da eine mischungskontrollierte Verbrennung grundsätzlich mit signifikant höheren ΝΟχ-Emissionen als eine vorgemischte Verbrennung bei den hier zur Anwendung kommenden Luftzahlen verbunden ist, ist der Stickoxid- Ausstoß des Motors deutlich reduziert im Vergleich zum reinen Direkteindüsungs-Betrieb, dies umso stärker, je größer die vorgemischt verbrennende erste Gasmenge im Verhältnis zur zweiten Gasmenge gewählt bzw. eingestellt wird.

In einigen Ausführungsbeispielen, die im Folgenden noch genauer ausgeführt werden, können zumindest kurzfristig die jeweiligen Eindüs- oder Einspritzmengen der ersten und zweiten Gasmenge sowie des Pilot-Brennstoffs individuell reduziert werden, in einigen Fällen auch bis auf null reduziert werden. Auch können generell die Vorgänge des Eindüsens der ersten Gasmenge und/oder der zweiten Gasmenge jeweils weiter unterteilt, das heißt in mehreren Einzelphasen aufgeteilt vorgenommen werden.

Fig. 1 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf eines Verfahrens gemäß Ausführungsbeispie- len der Erfindung. Gezeigt ist das Eindüsen einer ersten Gasmenge 20 während des Ansaugvorgangs, wobei die Luftzahl des dabei gebildeten Gas-Luft-Gemischs im mageren Bereich oberhalb oder weit oberhalb der Zündgrenze liegt. In der folgenden Kompression wird das Gas-Luft-Gemisch komprimiert. Gegen Ende der Kompression, d.h. nahe des oberen Totpunkts (OT), wird eine zweite Gasmenge 30 eingedüst. Das so entstandene Gas-Luft-Gemisch wird gezündet, vorzugsweise durch Einspritzung eines Pilot-Brennstoffs 40 bereits zu Beginn der Eindüsung der zweiten Gasmenge 30. Das komprimierte Gas-Luft-Gemisch wird verbrannt, wobei die erste Gasmenge 20 vorgemischt verbrannt wird, und die zweite Gasmenge vorwiegend in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird Die erste und die zweite Gasmenge dabei werden gemäß Ausführungsbeispielen so gewählt, dass ein vorgegebener Wert der NO _x -Emission nicht überschritten wird. Dies betrifft sowohl das Verhältnis der beiden Gasmengen zueinander als auch deren absolute Werte. In Ausführungsbeispielen ist daher das Kennfeld des Einspritzsystems 100 typischerweise so ausgelegt, dass für zumindest einen Teil der Lastfälle und Drehzahlen die erste und zweite Einspritzmenge so dosiert sind, dass ein NO _x -Zielwert eingehalten wird. Die Kennfeldfestlegung geschieht typischerweise während der Entwicklung anhand von Testmessungen der NO _x -Emission. Dabei kann der jeweilige Emissionswert in Echtzeit Basis für die Zumessung der Eindüsmengen sein. In anderen Beispielen kann ein vorgegebener Testzyklus Maßgabe sein, in dessen zeitlichem Mittel (bzw. in Summe) ein bestimmtes NO _x -Niveau eingehalten werden soll. So kann ein relativ höherer Emissionswert in bestimmten Lastfällen durch eine deutlich unter dem Zielwert liegende Emission in anderen Lastfällen kompensiert oder überkompensiert werden. Durch das weiter oben beschriebene, generell niedrige Niveau der NO _x - Emission, das durch die hier beschriebenen Ausführungsformen möglich ist, lässt sich auf diese Weise ein NO _x -armer Betrieb realisieren, ohne dass dazu weitere konstruktive Maßnahmen zur NO _x -Reduzierung wie etwa Abgasrückführung oder Selektive katalytische Reduktion erforderlich wären. Das niedrige Emissionsniveau wird auch durch das für einen selbstzündenden Verbrennungsmotor eher im unteren Bereich liegende Verdichtungsverhält- nis von typischerweise etwa 9: 1 bis etwa 14: 1 erzielt. Grundsätzlich wirkt das offenbarte Konzept jedoch auch mit höheren Verdichtungen emissions-minimierend, entsprechend höher verdichtete Motoren werden somit ebenfalls als unter die vorliegende Offenbarung fallend angesehen. Zur Lastregelung werden in Ausführungsbeispielen die erste Gasmenge 20 und die zweite Gasmenge 30 als Funktion der Last variiert. Dies betrifft die absoluten Mengen und insbesondere auch das Verhältnis der beiden Gasmengen zueinander. So kann etwa der prozentuale Anteil der zweiten Gasmenge (an der Gesamt-Gasmenge pro Zyklus) zu niedrigeren Lasten hin reduziert werden. Diese Reduzierung im Fall von Teillast bzw. niedriger Last kann soweit vorgenommen werden, dass die zweite Gasmenge 30 ganz wegfällt, also auf null reduziert wird. Die Zündung geschieht auch in diesem Fall typischerweise durch Einspritzung des Pilot-Brennstoffs 40, wie in Fig. 1 dargestellt, nahe des oberen Totpunkts. Da die gesamte umzusetzende Gasmenge dann nur aus der ersten eingedüsten Gasmenge 20 besteht, verbrennt das gesamte eingedüste Gas in vorgemischter Verbrennung, das heißt unter geringen Stickoxid-Bildung. Lediglich der Pilot-Brennstoff 40 verbrennt in diesem Fall in einer mischungs- kontrollierten Verbrennung. Im Fall von dynamischen Lasterhöhungen kann in Ausführungsbeispielen die zweite Gasmenge 30 erhöht werden und die erste Gasmenge 20 reduziert werden. Die erste Gasmenge kann dabei optional auch kurzfristig bis auf null abgesenkt werden. Da die zweite Gasmenge durch die mischungskontrollierte Verbrennung typischerweise unter geringeren Gesamt- Kohlenwasserstoff (total hydrocarbon - THC)-Emissionen als die vorgemischte Verbrennung der ersten Gasmenge 20 verbrennt, lässt sich auf diese Weise die THC-Emission bei Lastwechseln minimieren. Ebenso kann bei dynamischen Lastabsenkungen kurzfristig vor allem die erste Gasmenge 20 reduziert werden. Diese Reduzierung kann optional bis auf null erfolgen, so dass nur noch die zweite Gasmenge 30 zur Verbrennung beiträgt. Insbesondere kann somit bei Lastwechseln die Steuerung der ersten Gasmenge 20 und/oder der zweiten Gasmen- ge 30 unter der Randbedingung erfolgen, einen vorgegebenen Wert der THC-Emission nicht zu überschreiten.

In Ausführungsbeispielen kann ein Regelorgan vorgesehen sein, über das die in den Zylinder gelangende Luftmenge beeinflusst werden kann. Das Regelorgan befindet sich entweder di- rekt im Luftpfad oder beeinflusst ihn. Es kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein, etwa als Drosselklappe, Drosselventil, als variabler Ventiltrieb (VVT), als Waste Gate, oder als Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG). Die unabhängige Regelung der Luftmenge dient der dynamischen Leistungsanpassung, insbesondere bei gleichzeitiger Erhöhung der ersten Gasmenge 20.

Der in Bezug auf Fig. 1 erwähnte Pilot-Brennstoff 40 wird typischerweise zu Beginn des Eindüsens der zweiten Gasmenge 30 eingespritzt. Das Zünden des Gas-Luft-Gemisches geschieht dann als Folge des Selbstzündens des Pilot-Brennstoffs 40. Der Pilot-Brennstoff ist üblicherweise Diesel, kann aber auch andere flüssige Brennstoffe wie Biodiesel, Rapsöl, etc. umfassen.

Wird, wie oben mit Bezug auf Teillast bzw. niedrige Lasten angeführt, bei niedrigen Lasten die zweite Gasmenge 30 weitgehend oder ganz bis auf null reduziert, so kann der Pilot- Brennstoff 40 bereits früher, nämlich noch früh während der Kompression eingespritzt wer- den. Bevorzugt geschieht dies zu einem Zeitpunkt entsprechend etwa 50 Grad vor OT bis etwa 90 Grad vor OT.

In einigen Ausführungsbeispielen kann die Zündung des Gas-Luft-Gemisches statt durch den Pilot-Brennstoff 40 auch durch Anwenden einer Fremdzündung geschehen, insbesondere durch eine Zündkerze.

In Fig. 2 ist schematisch ein Verbrennungsmotor 60 dargestellt, der zur Ausführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen geeignet ist. Dieser weist typischerweise ein Ver- dichtungsverhältnis zwischen etwa 9: 1 und etwa 14: 1 auf. Er kann als Saugmotor oder als aufgeladener Motor betrieben werden, insbesondere mit einem Abgas-Turbo lader (nicht gezeigt). Neben den Bestandteilen eines Viertaktmotors, nämlich Zylinder 78, Kolben 76, Einlassventil 72, Auslassventil 74, Brennraum 77 weist der Motor gemäß Ausführungsbeispielen einen Injektor 50 auf. Dieser dient zur Eindüsung der ersten Gasmenge 20 bzw. der zweiten Gasmenge 30, sowie des Pilot-Brennstoffs 40 in den Zylinder 78 bzw. den Brennraum 77. Der Injektor 50 kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein. Wie dargestellt, können die Zuführungen für Gas und Pilot-Brennstoff in einem einzelnen Injektorgehäuse vorgesehen sein. Ein solcher Injektor wird beispielsweise in der DE102014014452 (B4) offenbart. Möglich sind auch baulich getrennte Ausführungen, wobei die Injektoren für Gas und Pilot- Brennstoff, typischerweise Diesel, jeweils als eigene Einspritz- bzw. Eindüsvorrichtungen im Zylinderkopf 70 bereitgestellt sind, sowie Ausführungen bei denen mehrere Injektoren für Gas zur Anwendung kommen. Grundsätzlich liegen in den meisten hier beschriebenen Ausführungsformen zwischen dem Ende des Eindüsens der ersten Gasmenge und dem Beginn des Eindüsens der zweiten Gasmenge ein Abstand von mindestens etwa 150 Grad Kurbelwinkel. Das bereits oben beschriebene Regelorgan 80 ist in Fig. 2 als nicht- limitierendes Beispiel als Drosselklappe ausgeführt. Das Regelorgan 80 kann generell in Ausführungsbeispielen auf unterschiedliche Art und Weise realisiert sein, zum Beispiel als Drosselventil, als variabler Ventiltrieb (VVT), als Waste Gate, oder als Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG). Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen liegen vor allem in erheblich reduzierten NOx-Emissionswerten im Vergleich zu herkömmlichen direkt-eindüsenden gasbetriebenen Motoren. Im Vergleich zu herkömmlichen, im Magerbetrieb betriebenen Gasmotoren lassen sich mit einem derartigen„hybriden Verbrennungsverfahren" niedrige Stickoxidemissionen bei höheren thermischen Wirkungsgraden realisieren, ohne Abgasnachbehandlung. Zudem sind die THC-Emissionen geringer.

Generell gilt, dass eine Aufteilung der Gasmenge in eine erste und eine zweite Gasmenge gemäß Ausführungsbeispielen typischerweise sowohl im stationären als auch im transienten Betrieb die Emissionen beeinflussen kann. Beispielsweise führt ein Erhöhen der zweiten Gasmenge typischerweise zu einem Anstieg der NOx-Emissionen und gleichzeitig zu sinkenden THC-Emissionen. Somit erlaubt die Aufteilung in eine erste und eine zweite Gasmenge gemäß Ausführungsbeispielen, im stationären und/oder auch im transienten Betrieb auf vor- gegebene Werte der NOx-Emissionen und der THC-Emissionen zu regeln.

Somit kann die Eindüsung der ersten und zweiten Gasmenge gemäß Ausführungsbeispielen so ausgelegt sein, dass vorgegebene Werte der NOx-Emissionen und/oder der THC- Emissionen jederzeit, das heißt als Echtzeit- Werte, oder auch zeitlich gemittelt eingehalten werden, etwa in einem vorgegebenen Test-Motorzyklus oder im Mittel einer kontinuierlichen Messung über einen vorgegebenen Zeitraum (von beispielsweise 30 Minuten). .

Insbesondere kann durch unterschiedliche Aufteilung der Gasmenge in eine erste Gasmenge und eine zweite Gasmenge im transienten Betrieb gegenüber dem stationären Betrieb auch auf unterschiedliche, definierte Werte der NOx-Emissionen und der THC-Emissionen eingestellt werden. Beispielsweise kann bei dynamischen Lasterhöhungen ein höherer Wert für NOx- Emissionen und ein tieferer Wert für THC-Emissionen vorgegeben werden als im stationären Betrieb. Dies wird erreicht durch ein anteiliges Erhöhen der zweiten Gasmenge bei gleichzeitiger anteiliger Reduktion der ersten Gasmenge. Gleichzeitig erlaubt dieses anteilige Erhöhen der zweiten Gasmenge bei anteiliger Reduktion der ersten Gasmenge eine bessere Dynamik bei Lasterhöhungen und Lastabsenkungen. Durch eine Verschiebung des Verhältnisses der ersten Gasmenge und der zweiten Gasmenge kann also das Verhältnis der NOx-Emission und der THC-Emission im transienten Betrieb kurzfristig verschoben werden, bei Erhöhung der zweiten Gasmenge hin zu höheren NOx-Emissionen und geringeren THC-Emissionen, alter- nativ umgekehrt bei einer anteiligen Verringerung der zweiten Gasmenge hin zu niedrigeren NOx-Emissionen und höheren THC-Emissionen. Folglich erfolgt die Aufteilung der Gasmenge in eine erste Gasmenge und eine zweite Gasmenge entsprechend der dynamischen Anforderung bei Lastwechsel unter Einhaltung der vorgegebenen Werte der NOx-Emissionen und der THC-Emissionen, entweder kurzfristig in Echtzeit oder im Mittel eines Test-Motorzyklus oder im Mittel einer kontinuierlichen Mes- sung über einen vorgegebenen Zeitraum (von beispielsweise 30 Minuten).

Durch das geringere erforderliche Druckniveau beim Eindüsen der ersten Gasmenge während des Ansaugens, bzw. den deutlich geringeren Massenanteil der zweiten Gasmenge, ergibt sich eine signifikante Energieeinsparung im Vergleich zu direkteindüsenden gasbetriebenen Moto- ren, die zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades beiträgt.