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Title:
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/176911
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an internal combustion engine with an open-loop or closed-loop control device (2), at least one combustion chamber (3) of the internal combustion engine (1) being designed to burn a fuel-air mixture having at least one combustion parameter that can be influenced by the open-loop or closed-loop control device (2), wherein the open-loop or closed-loop control device (2) has an emission control loop which is designed to control, via a functional relationship, the at least one combustion parameter as a substitute parameter for the NOx emissions by at least one actuator (4) influencing the at least one combustion parameter such that at least one combustion parameter can be set for each target output or actual output of the internal combustion engine (1), the functional relationship taking into account an influence of a change in an exhaust back pressure (p3') acting on the at least one combustion chamber (3).

Inventors:
KEITH DOUGLAS (GB)
THALHAUSER JOSEF (DE)
SPYRA NIKOLAUS (AT)
Application Number:
PCT/AT2019/060070
Publication Date:
September 10, 2020
Filing Date:
March 04, 2019
Export Citation:
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Assignee:
INNIO JENBACHER GMBH & CO OG (AT)
International Classes:
F02D41/14; F02D29/06; F02D37/02; F02D41/00; F02D41/34; F02P5/15
Domestic Patent References:
WO2017000012A12017-01-05
Foreign References:
US20180135541A12018-05-17
US20030127079A12003-07-10
US20060288701A12006-12-28
US20140174073A12014-06-26
EP0259382A11988-03-16
EP2977596A12016-01-27
EP2910755A12015-08-26
Attorney, Agent or Firm:
GANGL, Markus et al. (AT)
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Claims:
Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung (2), wobei wenigstens ein Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1 ) dazu ausgebildet ist, ein Treibstoff- Luft-Gemisch mit wenigstens einem durch die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) beeinflussbaren Verbrennungsparameter zu verbrennen, wobei die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) einen Emissionsregelkreis aufweist, der dazu ausgebildet ist, über einen funktionalen Zusammenhang den wenigstens einen Verbrennungsparameter als Ersatzgröße für die NOc-Emission durch wenigstens einen den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator (4) so anzusteuern, dass für jede Soll-Leistung oder Ist-Leistung der Brennkraftmaschine (1 ) wenigstens ein Verbrennungsparameter einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Zusammenhang einen Einfluss einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkenden Abgasgegendruckes (p3‘)berücksichtigt.

2. Brennkraftmaschine nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung des Abgasgegendruckes (p3‘), die Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhanges so erfolgt, dass der Emissionsregelkreis durch Veränderung des Verbrennungsparameters ein gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt magereres Treibstoff-Luft-Gemisch einstellt.

3. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung des Abgasgegendruckes (p3‘), die Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhanges so erfolgt, dass der Emissionsregelkreis durch Veränderung des Verbrennungsparameters ein gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt späteren Zündzeitpunkt einstellt. 4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung des Abgasgegendruckes (p3‘), die Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhanges so erfolgt, dass der Emissionsregelkreis durch Veränderung des Verbrennungsparameters ein gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt geringeren Füllgrad des wenigstens einen Brennraumes (3) einstellt.

5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine durch die Steuer- oder

Regeleinrichtung (2) beinflussbare Verbrennungsparameter ein Verbrennungsluftverhältnis (l) umfasst.

6. Brennkraftmaschine nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung das beinflussbare

Verbrennungsluftverhältnis (l) durch

- Einstellen eines Ladedruckes (p2‘),

- Einstellen einer Einspritzmenge eines Treibstoffes in den wenigstens einen Brennraum (3) und/oder durch

- Einstellen eines Mischverhältnisses des Treibstoff-Luft-Gemisches beeinflusst.

7. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine durch die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) beinflussbare Verbrennungsparameter einen Ladedruck (p2‘) umfasst.

8. Brennkraftmaschine nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuer- oder Regeleinrichtung bei Beeinflussung des Ladedruckes (p2‘) ein entsprechendes Verbrennungsluftverhältnis (l) durch - Einstellen einer Einspritzmenge eines Treibstoffes in den wenigstens einen

Brennraum (3) und/oder

Einstellen eines Mischverhältnisses des Treibstoff-Luft-Gemisches

steuert oder regelt. 9. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine durch die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) beinflussbare Verbrennungsparameter einen Zündzeitpunkt umfasst.

10. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator (4) anzusteuern, um eine Veränderung eines Füllgrades des wenigstens einen Brennraumes (3), vorzugsweise mittels Verstellung wenigstens eines variablen Ventiltriebes (7), vorzunehmen.

11. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator (4) als Drosselklappe (8) ausgebildet ist.

12. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator (4) anzusteuern, um eine Einstellung einer dem wenigstens einen

Brennraum (3) zugeführten Treibstoffmenge und/oder eines Einspritzzeitpunktes eines dem wenigstens einen Brennraum (3) zugeführten Treibstoffes, vorzugsweise mittels Ansteuerung wenigstens eines Port-Injection-Ventiles (9), vorzunehmen. 13. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator (4) anzusteuern, um eine Einstellung eines Ladedruckes (p2‘), vorzugsweise mittels Verstellung eines Umgehungsventiles (10) für einen Verdichter (11 ) und/oder einer wenigstens einem Verdichter (11 ) zugehörigen variablen Verdichtergeometrie, vorzunehmen.

14. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) zur Ermittlung einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkenden Abgasgegendruckes (p3‘) eine Verstellung wenigstens eines auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkenden Abgasgegendruck (p3‘) beeinflussenden Aktuators (4) berücksichtigt.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkende Abgasgegendruck (p3‘) beeinflussende Aktuator (5) ein Umgehungsventil (12) für eine Abgasturbine (13) eines Turboladers (14) umfasst.

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkende Abgasgegendruck (p3‘) beeinflussende Aktuator (5) eine einer Abgasturbine (13) zugehörige variable Turbinengeometrie umfasst.

17. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkende Abgasgegendruck (p3‘) beeinflussende Aktuator ein Umgehungsventil (15) für einen vor einer Abgasturbine (13) eines Turboladers (14) angeordneten Katalysator (16) umfasst.

18. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (2) zur Ermittlung einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkenden Abgasgegendruckes (p3‘) eine Veränderung eines durch wenigstens einen Sensor erfassten Messsignales in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine (1 ) berücksichtigt.

19. Verfahren zum Regeln oder Steuern einer Brennkraftmaschine (1 ), wobei in wenigstens einem Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1 ) ein Treibstoff-Luft-

Gemisch mit wenigstens einem beeinflussbaren Verbrennungsparameter verbrannt wird, wobei der wenigstens eine Verbrennungsparameter im Rahmen eines Emissionsregelkreises als Ersatzgröße für NOc-Emission über einen funktionalen Zusammenhang durch wenigstens einen den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator (4) so gesteuert oder geregelt wird, dass für jede Soll-Leistung oder Ist-Leistung der Brennkraftmaschine (1 ) wenigstens ein Verbrennungsparameter eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch den funktionalen Zusammenhang ein Einfluss einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum (3) wirkenden Abgasgegendruckes (p3‘)berücksichtigt wird.

Description:
Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 , sowie ein Verfahren zum Regeln oder Steuern einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 19.

Es ist aus der EP 0259382 B1 eine Regelstrategie für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei in Abhängigkeit einer gemessenen Ist-Leistung der Brennkraftmaschine ein Ladedruck-Sollwert eingestellt wird. Durch einen ersten Regelkreis

(Ladedruckregler) wird über einen Soll-Istwert-Vergleich der Ist-Ladedruck dem Ladedruck-Sollwert nachgeregelt. Bei diesem Ladedruck-Sollwert liegt ein bestimmter Zielwert der NO c -Emissionen vor. Da die NO x -Emission nicht direkt bekannt ist, wird der Ladedruck als Hilfsregelgröße verwendet. Der funktionale Zusammenhang liegt in Form einer Kurvenschar vor, wobei jede Kurve für einen bestimmten NO c -Wert den

Zusammenhang zwischen Ist-Leistung und Ladedruck-Sollwert angibt. Insofern ist also der Ladedruckregler eigentlich ein Emissionsregelkreis in Bezug auf die NO c - Emissionen (NO c -Emissionsregelkreis). Die Einstellung des Lambda-Wertes erfolgt über Beeinflussung einer

Gasdosiereinrichtung. Die Veränderung des Lambda-Wertes würde an sich eine Veränderung der Leistung der Brennkraftmaschine bewirken, was durch einen zweiten Regelkreis (Leistungsregelkreis) ausgeglichen werden muss. Dieser Ausgleich im Leistungsregelkreis erfolgt über jene Aktuatoren, die den Ladedruck unmittelbar beeinflussen (beispielsweise durch die Drosselklappe, ein Wastegate, eine variable Turbinengeometrie, eine Verdichterumgehungsleitung, einen variablen Ventiltrieb oder ähnlichem). Der Ladedruck wird also direkt über das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda-Wert) geregelt. Diese Regelstrategie ist als LEANOX-Regelung bekannt. Es wird demgemäß also der funktionale Zusammenhang zwischen dem vor den Einlassventilen des Motors herrschenden, relativ leicht messbaren, Ladedruck und der Leistung genutzt, um die NO c -Emission zu kontrollieren. Dazu ist der Ausgang der Ladedruckmessung mit einem Ist-Eingang des ersten Regelkreises verbunden. Im ersten Regelkreis der EP 0259382 B1 (Ladedruckregler) ist eine programmierbare Einrichtung zur Ermittlung eines leistungsabhängigen Soll- Wertes für den Ladedruck aus dem von der Leistungmessvorrichtung zugeführten Leistungsmesssignalangabe angeordnet.

Dabei erfolgt die Regelung des Ladedrucks indirekt über die Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses (Lambda-Wertes) im Luft-Gas-Mischer, wobei beispielsweise ein Abmagern des Gemisches (Erhöhen von Lambda) eine Erhöhung des Ladedrucks vor den Einlassventilen bewirkt (bei der Forderung einer konstanten Motorleistung).

Obiges beschreibt die kaskadierte Form der LEANOX-Regelung. Es besteht auch die Möglichkeit, beide Regeleingriffe gleichzeitig durchzuführen (siehe dazu EP 2977596 B1 ). Die Erfindung ist bei beiden Formen der LEANOX-Regelung einsetzbar.

Eine Alternative besteht darin, statt des Ladedrucks den Zylinderdruck als Regelgröße zu verwenden. Dies ist beispielsweise bei der EP 2910755 B1 beschrieben. Die Erfindung ist auch bei einer solchen Regelung einsetzbar.

Problematisch ist, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Regelverfahren zur Emissionsregelung die Beeinflussung durch einen Abgasgegendruck nicht berücksichtigen, wodurch sich ein ungünstiges Emissionsverhalten ergeben kann.

Wenn beispielsweise in der Abgasleitung ein Umgehungsventil für eine Abgasturbine eines Turboladers (auch als Waste-Gate bekannt) geschlossen wird, steigt ein Abgasgegendruck auf den Brennraum, was zu einer Erhöhung der NO c -Emissionen führt.

Die bekannten Regelstrategien erkennen somit keine Veränderung der NO c -Emissionen durch geänderten Abgasgegendruck. Folglich werden erhöhte NO c -Emissionen ausgestoßen, was sich nachteilig auf die zu erreichenden Emissionszielwerte und natürlich auch die Langzeitbeobachtung der NO c -Emissionen einer Brennkraftmaschine auswirkt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Brennkraftmaschine und eines Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Steuer- oder Regeleinrichtung bzw. Strategie, wobei ungewollte Erhöhungen der NOx-Emissionen bei einer Veränderung des Abgasgegendruckes vermieden werden können. Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Dies geschieht, indem die Steuer- oder Regeleinheit einen Emissionsregelkreis aufweist, der dazu ausgebildet ist, über einen funktionalen Zusammenhang den wenigstens einen Verbrennungsparameter als Ersatzgröße für die NO c -Emission durch wenigstens einen den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator so anzusteuern, dass für jede Soll-Leistung oder Ist-Leistung der Brennkraftmaschine wenigstens ein Verbrennungsparameter einstellbar ist, wobei der funktionale Zusammenhang einen Einfluss einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruckes berücksichtig.

Indem also der funktionale Zusammenhang den Einfluss einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruckes berücksichtig, kann bei der Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine der hinsichtlich Emissionen und/oder Wirkungsgrad günstigste Steuer- oder Regeleingriff vorgenommen werden.

Mithilfe der Erfindung kann eine unkontrollierte Veränderung der NO x -Emissionen, aufgrund einer Veränderung eines Abgasgegendruckes, noch vor Auftreten einer NO c - Emissioneveränderung entgegengewirkt werden. Folglich können durch den Gesetzgeber auferlegte NO c -Emissionswerte jederzeit eingehalten werden.

Dies gilt insbesondere für den sogenannten NO c -Durchschnittswert des NO c -Anteils der Abgase an einer Austrittstelle der Brennkraftmaschine. Dieser NO c -Durchschnittswert des NO c -Anteils der Abgase ist meist ein durch den Gesetzgeber vorgegebener Wert, welcher von der Brennkraftmaschine hinsichtlich eines vorgegebenen Zeitraumes eingehalten werden muss.

Die Erfindung erlaubt es des Weiteren eine Brennkraftmaschine möglichst nahe an den vorgegebenen NO c -Emissionsgrenzen zu betreiben ohne NO c -Regelreserven vorzusehen, welche einen ungewollten zwischenzeitlichen Anstieg der NO c -Emissionen kompensieren. Folglich kann die Brennkraftmaschine auch mit einer höheren Leistung oder mit einer höheren Effizienz betrieben werden. Grundsätzlich sind bezüglich der Art der Treibstoffeinbringung in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine zwei Typen von Verfahren bekannt. Der erste Typ sind luftaufgeladenen Brennkraftmaschinen mit zylinderindividueller Treibstoffzufuhr (z.B. unter Verwendung von Pord-Injection-Ventilen). Der zweite Typ sind gemischaufgeladene Brennkraftmaschinen. Die Erfindung ist bei beiden Typen der Brennkraftmaschinen einsetzbar.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Es kann vorgesehen sein, dass der funktionale Zusammenhang einen Einfluss einer Verstellung wenigstens eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruck beeinflussenden Aktuators berücksichtigt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, die Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs so erfolgt, dass der Emissionsregelkreis durch Veränderung des Verbrennungsparameters ein gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt magereres Treibstoff-Luft-Gemisch einstellt.

Das Abmagern des Treibstoff-Luft-Gemisches ist eine durch den Stand der Technik bekannte Maßnahme, bei der das Verbrennungsluftverhältnis erhöht wird. Dies kann bekanntermaßen dadurch erfolgen, indem die Treibstoffzufuhr verringert wird oder der Ladedruck oder die Luftzufuhr erhöht wird. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass bei einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, die Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs so erfolgt, dass der Emissionsregelkreis durch Veränderung des Verbrennungsparameters ein gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt späteren Zündzeitpunkt einstellt.

Das Verschieben eines Zündzeitpunktes nach Spät hat ein Senken der Zylinderspitzentemperatur zur Folge, was zu einer Verringerung der NO c -Emissionen führt. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass bei einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, die Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs so erfolgt, dass der Emissionsregelkreis durch Veränderung des Verbrennungsparameters ein gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt geringeren Füllgrades des wenigstens einen Brennraums einstellt.

Natürlich können gegenteilige Maßnahmen gesetzt werden, wenn der Abgasgegendruck sinkt. Dementsprechend kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass bei Sinken eines Abgasgegendruckes eine Maßnahme gesetzt wird, um beispielsweise die NO c -Emission bei gleicher Leistung möglichst konstant zu halten.

Es ist bekannt, die Einlassventile einer Brennkraftmaschine zu schließen, bevor der Kolben im Ansaugtrakt seinen unteren Totpunkt erreicht hat (frühes Miller-Verfahren). In einem alternativen Verfahren werden die Einlassventile im Verdichtungstrakt nach dem Erreichen der maximalen Füllung im Zylinder geschlossen (spätes Miller-Verfahren). Dies kann beispielsweise durch einen variablen Ventiltrieb ermöglicht werden, der eine variable Betätigungscharakteristik der Einlassventile gestattet.

Ein frühes Miller-Verfahren mit einer veränderten Betätigungscharakteristik der Einlassventile in die Richtung eines verringerten Füllgrades kann zur Folge haben:

- um eine konstante Leistung zu erbringen, muss die in den Brennraum eingebrachte

Energie annähernd konstant gehalten werden, weswegen der Ladedruck steigen muss - durch die Expansion und/oder die verringerte effektive Verdichtung sinkt die Temperatur der Zylinderlandung zum Zündzeitpunkt und daraus ergeben sich folglich geringere NO c -Emissionen. Das Miller-Verfahren zum Einstellen eines Füllgrades des wenigstens einen Brennraumes kann beispielsweise über einen variablen Ventiltrieb erfolgen.

Ein variabler Ventiltrieb wird häufig deshalb eingesetzt, weil damit eine Brennkraftmaschine bei unterschiedlichen Betriebspunkten mit dem günstigsten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Auch ist es bekannt, einen variablen Ventiltrieb zur Leistungsregelung einzusetzen, etwa um einen drosselklappenfreien Betrieb zu realisieren.

Eine Änderung der Betriebscharakteristik eines Einlassventils bewirkt eine Veränderung des Liefergrades (Füllgrades) und damit des Massendurchsatzes der

Brennkraftmaschine.

Ein Leistungsregelkreis ist dazu ausgebildet, eine Ist-Leistung der Brennkraftmaschine an eine Soll-Leistung der Brennkraftmaschine anzugleichen.

Unter Annahme konstanter Leistung und konstanter NO c -Emissionen muss bei einer Betätigungscharakteristik mit geringerem Füllgrad der Ladedruck angehoben werden, aber nicht soweit, dass sich das gleiche Treibstoff-Luft-Verhältnis einstellt, da eine stärkere Kühlung der Zylinderladung gegeben ist.

Es kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine durch die Steuer- oder Regeleinrichtung beeinflussbare Verbrennungsparameter ein

Verbrennungsluftverhältnis umfasst. Das Verbrennungsluftverhältnis ist auch unter den Synonymen Luftüberschusszahl, Lambda-Wert oder Luftverhältnis bekannt.

Zur Beeinflussung des Verbrennungsluftverhältnisses durch die Steuer- oder Regeleinrichtung kann

- eine Einstellung eines Ladedrucks, - eine Einstellung einer Einspritzmenge eines Treibstoffes in den wenigstens einen Brennraum und/oder

- eine Einstellung eines Mischverhältnisses des Treibstoffluftgemisches (beispielsweise durch einen Gasmischer) vorgenommen werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der wenigstens eine durch die Steuer- oder Regeleinrichtung beinflussbare Verbrennungsparameter einen Ladedruck umfasst. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung bei Beeinflussung des Ladedruckes ein entsprechendes Verbrennungsluftverhältnis durch - Einstellen einer Einspritzmenge eines Treibstoffes in den wenigstens einen

Brennraum und/oder

- Einstellen eines Mischverhältnisses des Treibstoff-Luft-Gemisches

eingestellt. Es kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine durch die Steuer- oder

Regeleinrichtung beeinflussbare Verbrennungsparameter einen Zündzeitpunkt umfasst. Dieser Zündzeitpunkt kann beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung einer Zündkerze verschoben werden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator anzusteuern, um eine Veränderung eines Füllgrades des wenigstens einen Brennraumes, vorzugsweise mittels Verstellung wenigstens eines variablen Ventiltriebs, vorzunehmen.

Es kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Verbrennungsparameter beeinflussende Aktuator als Drosselklappe ausgebildet ist.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator anzusteuern, um eine Einstellung einer dem wenigstens einem Brennraum zugeführten Treibstoffmenge und/oder eines Einspritzzeitpunktes eines dem wenigstens einen Brennraum zugeführten Treibstoffes, vorzugsweise mittels Ansteuerung wenigstens eines Port-Injection-Ventils, vorzunehmen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator anzusteuern, um eine Einstellung eines Ladedrucks, vorzugsweise mittels Verstellung eines Umgehungsventiles für einen Verdichter und/oder einer wenigstens einem Verdichter zugehörigen variablen Verdichtergeometrie, vorzunehmen. Umgehungsventile für einen Verdichter sind auch unter dem Namen Kompressor- Bypass-Ventile bekannt. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung zur Ermittlung einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruckes eine Verstellung wenigstens eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruck beeinflussenden Aktuators berücksichtigt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der wenigstens eine auf den Brennraum wirkende Abgasgegendruck beeinflussende Aktuator ein Umgehungsventil für eine Abgasturbine eines Turboladers umfasst. Umgehungsventile für eine Abgasturbine eines Turboladers sind auch als Waste-Gates bekannt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der wenigstens eine auf den Brennraum wirkende Abgasgegendruck beeinflussende Aktuator eine einer Abgasturbine zugehörige variable Turbinengeometrie umfasst.

Es kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine auf den Brennraum wirkende Abgasgegendruck beeinflussende Aktuator ein Umgehungsventil für einen vor einer Abgasturbine eines Turboladers angeordneten Katalysator umfasst.

Solche vor einer Abgasturbine eines Turboladers angeordnete Katalysatoren sind durch den Stand der Technik auch unter dem Namen PTCC-Katalysatoren (Pre Turbo Charger Catalyst) bekannt. Dabei wird zwischen dem wenigstens einen Brennraum und der Abgasturbine eines Turboladers ein Katalysator angeordnet. Insbesondere bei großvolumigen Motoren hat dies den Vorteil, dass es möglich ist, die Wirkung des Turboladers zu verbessern, denn die Freisetzung von chemischer Energie, welche nach der Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum noch im abgeführten Stoffstrom gespeichert ist, führt zu einer höheren Temperatur des Stoffstroms und einer Expansion des Stoffstroms, welche sich in einem höheren Volumenstrom an der Abgasturbine des Turboladers niederschlägt. Der durch die Abgasturbine angetriebene Verdichter des Turboladers kann somit einen höheren Ladedruck hervorbringen, womit eine höhere Gesamtleistung der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.

Es kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung zur Ermittlung einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruckes eine Veränderung eines durch wenigstens einen Sensor erfassten Messsignales in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine berücksichtigt.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ein stationärer, mit Brenngas betriebener, Hubkolbenmotor ist und vorzugsweise einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Weiters wird Schutz begehrt für ein Verfahren zum Regeln oder Steuern einer Brennkraftmaschine, wobei in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Treibstoffluftgemisch mit wenigstens einem beinflussbaren Verbrennungsparameter verbrannt wird, wobei der wenigstens eine Verbrennungsparameter im Rahmen eines Emissionsregelkreises als Ersatzgröße für NO c -Emissionen über einen funktionalen Zusammenhang durch wenigstens einen den wenigsten einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator so gesteuert oder geregelt wird, dass für jede Soll-Leistung oder Ist-Leistung der Brennkraftmaschine wenigstens ein Verbrennungsparameter eingestellt wird, wobei durch den funktionalen Zusammenhang ein Einfluss einer Veränderung eines auf den wenigstens einen Brennraum wirkenden Abgasgegendruckes berücksichtigt wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine,

Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine,

Fig. 7 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine,

Fig. 8 ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und

Fig. 9 ein Diagramm von Ladedruck über Leistung für verschiedene

Abgasgegendrücke.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1. Diese Brennkraftmaschine verfügt über einen Brennraum 3, in welchen ein Treibstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Natürlich ist die Erfindung nicht auf einen Brennraum 3 beschränkt und in den Figuren dient der eine Brennraum 3 rein exemplarischen zwecken. Die Erfindung kann bei einer Brennkraftmaschine 1 für einen oder mehrere Brennräume 3 selektiv und/oder global für alle ihren Einsatz finden.

Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird dem wenigstens einen Brennraum über einen Verdichter 11 eines Turboladers 14 zugeführt, wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch nach der Verdichtung durch den Verdichter 11 in einem Gemischkühler 17 gekühlt werden kann. Der Gemischkühler 17 und der Verdichter 11 sind durch eine Umgehungsleitung mit einem Umgehungsventil 10 umgehbar, wobei durch dieses Umgehungsventil 10 ein Ladedruck p 2 ‘ einstellbar ist, mit welchem Ladedruck p 2 ‘ der wenigstens eine Brennraum 3 befüllbar ist.

Durch Veränderung des Ladedrucks p 2 ‘ kann bei konstanten Ventilöffnungszeiten der Brennkraftmaschine 1 die Füllung des wenigstens einen Brennraumes 3 variiert werden.

Des Weiteren verfügt der Turbolader 14 über eine Abgasturbine 13, welche durch eine Umgehungsleitung samt Umgehungsventil 12 umgehbar ist. Durch dieses Umgehungsventil 12 kann ein Abgasgegendruck p 3 ‘, welcher auf den wenigstens einen Brennraum 3 wirkt, eingestellt werden.

Es ist eine Steuer- oder Regeleinrichtung 2 vorgesehen, welche durch signalleitende Verbindungen 6 einerseits mit dem Umgehungsventil 10 des Verdichters 11 signalleitend verbunden ist und andererseits mit dem Umgehungsventil 12 der Abgasturbine 13 signalleitend verbunden ist. Das Umgehungsventil 10 des Verdichters

11 (und auch des Gemischkühlers 17) ist in diesem Ausführungsbeispiel als Verbrennungsparameter beeinflussender Aktuator 4 ausgebildet. Das Umgehungsventil

12 der Abgasturbine 13 bildet in diesem Ausführungsbeispiel den Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussenden Aktuator 5.

Die Steuer- oder Regeleinrichtung 2 ist dazu ausgebildet, über einen funktionalen Zusammenhang den wenigstens einen Verbrennungsparameter (in diesem Ausführungsbeispiel der Ladedruck p 2 ‘) als Ersatzgröße für die NO c -Emission durch wenigstens einen den wenigstens einen Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator 4 (in diesem Ausführungsbeispiel das Umgehungsventil 10 des Verdichters 11 ) so anzusteuern, dass für jede Soll-Leistung oder Ist-Leistung der Brennkraftmaschine 1 wenigstens ein Verbrennungsparameter einstellbar ist, wobei der funktionale Zusammenhang einen Einfluss einer Verstellung wenigstens eines auf den wenigstens einen Brennraum 3 wirkenden Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussenden Aktuator 5 (in diesem Ausführungsbeispiel das Umgehungsventil 12 der Abgasturbine 13) berücksichtigt. In anderen Worten ist die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet, bei einer Verstellung des Umgehungsventils 12 eine Veränderung des Umgehungsventils 10 des Verdichters 11 durchzuführen, sodass die NO c -Emissionen konstant gehalten werden können, da eine Veränderung der Stellung des Umgehungsventils 12 der Abgasturbine 13direkten Einfluss auf den Abgasgegendruck p 3 ‘ (welcher auf den wenigstens einen Brennraum 3 wirkt) hat und somit Einfluss auf die NO c -Produktion im wenigstens einen Brennraum 3 (durch einen geänderten Wirkungsgrad und geänderte Restgasanteile und -temperaturen) hat. Jedoch können die NO c -Emissionen konstant gehalten werden, indem der Ladedruck p 2 ‘ durch das Umgehungsventil 10 des Verdichters 11 angepasst wird.

Durch den in der Steuer- oder Regeleinheit 2 hinterlegten funktionale Zusammenhang kann der Ladedruck p 2 ‘ auf Basis des gewünschten Wertes für die Leistung P m ech, die NO c -Emissionen und einen gegebenen Abgasgegendruck p 3 ‘ bestimmt werden. Wie dieser funktionale Zusammenhang im speziellen aussieht, soll später noch erörtert werden (siehe Fig. 9).

In Fig. 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel gezeigt, jedoch ist in diesem zweiten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 der den Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussende Aktuator 5 die variable Turbinengeometrie der Abgasturbine 13 des Turboladers 14. Durch eine Verstellung dieser variablen Turbinengeometrie stellt sich ebenfalls eine Veränderung des auf den wenigstens einen Brennraum 3 wirkenden Abgasgegendruckes p 3 ‘ ein, womit durch die Steuer- oder Regeleinrichtung 2 das Umgehungsventil 10 des Verdichters 11 verstellbar ist und über einen funktionalen Zusammenhang der Ladedruck p 2 ‘ entsprechend einstellbar ist, um die NO c -Emissionen konstant zu halten.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist ein Katalysator 16 zwischen dem wenigstens einen Brennraum 3 und der Abgasturbine 13 vorgesehen. Solche Katalysatoren 16 sind auch unter dem Synonym PTCC-Katalysatoren bekannt und werden dazu verwendet, chemische Energie im Abgasstrom freizusetzen, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird, was zu einer Explosion des Abgases führt, wodurch wiederum ein auf die Abgasturbine 13 wirkender Stoffstrom erhöht werden kann, womit die Effizienz des Turboladers 14 gesteigert wird. Um dieses Vorgehen steuern oder regeln zu können, ist ein Umgehungsventil 15 des Katalysators 16 vorgesehen, welches Umgehungsventil 15 über eine signalleitende Verbindung 6 mit der Steuer- oder Regeleinheit 2 verbunden ist. Das Umgehungsventil 15 des Katalysators 16 ist ein Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussender Aktuator 5, wodurch wiederum bei Veränderung der Stellung des Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussenden Aktuators 5 (des Umgehungsventils 15 des Katalysators 16) das Umgehungsventil 10 des Verdichters 11 über den funktionalen Zusammenhang dermaßen angesteuert wird, dass ein Ladedruck p 2 ‘ entsprechend korrigiert wird, um einen möglichst konstanten NO c -Emissionswert zu erhalten.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Drosselklappe 8 als den Verbrennungsparameter beeinflussender Aktuator 4 verwendet, wodurch ebenfalls ein Füllgrad des wenigstens einen Brennraumes 3 beeinflussbar ist.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 stellt wiederum ein ähnliches Ausführungsbeispiel zu der Fig. 3 dar, jedoch verfügt die Brennkraftmaschine 1 des Ausführungsbeispiels der Fig. 5 über einen Verdichter 11 mit einer variablen Verdichtergeometrie, wobei die Verdichtergeometrie bzw. die Verstelleinheit der Verdichtergeometrie signalleitend über eine signalleitende Verbindung 6 mit der Steuer- oder Regeleinheit 2 verbunden ist und die Steuer- oder Regeleinheit 2 die variable Verdichtergeometrie des Verdichters 11 als Aktuator 4 verwendet zur Einstellung eines Verbrennungsparameters (genauer gesagt des Ladedruckes p 2 ‘).

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel zu jenem der Fig. 1 , jedoch weist die Brennkraftmaschine 1 des Ausführungsbeispiels der Fig. 6 einen variablen Ventiltrieb 7 auf, mittels welchem ein Füllgrad des wenigstens einen Brennraums 3 einstellbar ist (beispielsweise gemäß einem frühen oder späten Miller- Verfahren). Dieser variable Ventiltrieb 7 ist wiederum über eine signalleitende Verbindung 6 mit der Steuer- oder Regeleinheit 2 verbunden, wobei der variable Ventiltrieb 7 als Verbrennungsparameter beeinflussender Aktuator 4 durch die Steuer oder Regeleinheit 2 gesteuert oder geregelt wird. Ähnlich ist ebenfalls das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 einer Brennkraftmaschine 1 gestaltet, jedoch wird im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 als den Verbrennungsparameter beeinflussender Aktuator 4 die Ansteuerung einer Zündvorrichtung verwendet, mittels derer ein Zündzeitpunkt der Verbrennung geregelt oder gesteuert wird. Dies geschieht, indem die Steuer- oder Regeleinheit 2 über eine signalleitende Verbindung 6 mit der Zündeinrichtung des wenigstens einen Brennraums 3 verbunden ist. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 , welche über eine von der Luftzufuhr separierte Einspritzeinheit für Treibstoff in den wenigstens einen Brennraum 3 verfügt. Diese Einspritzeinheit für Treibstoff in den wenigstens einen Brennraum 3 ist als Port-Injection-Ventil 9 ausgeführt. Die Luftzufuhr erfolgt über einen Verdichter 11 eines Turboladers 14, wobei die verdichtete Luft vor Eintritt in den wenigstens einen Brennraum 3 mittels eines Ladeluftkühlers 18 gekühlt wird. Um den Ladedruck p 2 ‘ variieren zu können, ist eine Umgehungsleitung mit einem Umgehungsventil 10 des Verdichters 11 vorgesehen. In der Abgasleitung ist - wie bereits in den vorhergehenden Figuren beschrieben - eine Abgasturbine 13 vorgesehen und ein zwischen der Abgasturbine 13 und dem wenigstens einen Brennraum 3 angeordneter Katalysator 16, welcher durch eine Umgehungsleitung mit einem Umgehungsventil 15 des Katalysators 16 umgehbar ist. Die Steuer- oder Regeleinheit 2 ist über signalleitende Verbindungen mit einem den Verbrennungsparameter beeinflussenden Aktuator 4 verbunden und einen den Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussenden Aktuator 5 verbunden.

Der den Verbrennungsparameter beeinflussende Aktuator 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Port-Injection-Ventil 9 ausgebildet, durch dessen Ansteuerung ein Verbrennungsluftverhältnis l im wenigstens einen Brennraum 3 beeinflussbar ist. Der den Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussende Aktuator 5 ist in diesem Ausführungsbeispiels als Umgehungsventil 15 des Katalysators 16 ausgebildet. Fig. 9 zeigt ein Diagramm des Ladedrucks p 2 ‘ einer Brennkraftmaschine 1 über die von der Brennkraftmaschine 1 erbrachte mechanische Leistung P me ch Eingezeichnet ist der Zusammenhang für drei unterschiedliche Abgasgegendrücke p 3 ‘ bei vorgegebenen - also für alle drei Kurven gleichen - NO c -Emissionen.

Dieses Diagramm stellt die mechanische Leistung P me ch der Brennkraftmaschine 1 mit dem Ladedruck p 2 ‘ in Beziehung, wobei für jeden NO c -Soll-Wert (im abgebildeten Diagramm konstant) und für jeden Abgasgegendruck p 3 ‘ eine Kurve vorhanden ist. Diese Kurvenschar bildet den funktionalen Zusammenhang

Um eine konstante NO c -Emission bei Veränderung des Abgasgegendrucks p 3 ‘ (beispielsweise durch Veränderung des den Abgasgegendruck p 3 ‘ beeinflussenden Aktuators 5) zu erhalten, ist ein entsprechender Ladedruck p 2 ‘ zu wählen, um eine konstante mechanische Leistung P meC h der Brennkraftmaschine 1 von 75 % halten zu können. Dieser funktionale Zusammenhang ist bei der Steuer- oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 durch die Steuer- oder Regeleinheit 2 heranzuziehen.

Bezugszeichenliste:

1 Brennkraftmaschine

2 Steuer- oder Regeleinrichtung

3 Brennraum

4 Verbrennungsparameter beeinflussender Aktuator

5 Abgasgegendruck beeinflussender Aktuator

6 signalleitende Verbindung

7 Variabler Ventiltrieb

8 Drosselklappe

9 Port-Injection-Ventil

10 Umgehungsventil des Verdichters

11 Verdichter

12 Umgehungsventil der Abgasturbine

13 Abgasturbine

14 Turbolader

15 Umgehungsventil des Katalysators

16 Katalysator

17 Gemischkühler

18 Ladeluftkühler

p 2 ‘ Ladedruck

p 3 ‘ Abgasgegendruck

l Verbrennungsluftverhältnis

P mech mechanische Leistung