DE10319333B4 - System and method for influencing the intake gas temperature in the combustion chamber of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
System
zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus
im Brennraum (12) eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines
HCCI-fähigen
Verbrennungsmotors (10), mit
– einer Abgasrückführeinrichtung
(14) mit einem Abgasrückführventil
zum Zuführen
von Abgas eines früheren
Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft
aufweisenden Gemisch, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisch
mit einem für
die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und
– mindestens
einem als Abgaskühler
(32) wirkenden Wärmetauscher
zur Absenkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases,
dadurch
gekennzeichnet,
dass eine Entkopplung der dem Verbrennungsmotor
(10) zugeführten
Ansauggasmenge von der Temperatur des Ansauggases und eine gezielte
Einstellung des Energieniveaus im Brennraum (12) erreicht werden,
indem ein Kühlmittelstellventil
(50) vorgesehen ist, so dass durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses
durch den Abgaskühler
(32) unter Berücksichtigung
von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten
die Ansauggastemperatur eingestellt beziehungsweise geregelt werden
kann.System for influencing the Ansauggastemperatur and thus the energy level in the combustion chamber (12) of an internal combustion engine (10), in particular a HCCI-capable internal combustion engine (10), with
- An exhaust gas recirculation device (14) with an exhaust gas recirculation valve for supplying exhaust gas of an earlier combustion cycle to fresh air or to a fresh air mixture having to provide after injection of fuel, an air / fuel / exhaust gas mixture with an advantageous energy level for combustion, and
At least one heat exchanger acting as an exhaust gas cooler (32) for lowering the temperature of the recirculated exhaust gas,
characterized,
in that a decoupling of the amount of intake gas supplied to the internal combustion engine (10) from the temperature of the intake gas and a specific adjustment of the energy level in the combustion chamber (12) are achieved by providing a coolant control valve (50) so that the coolant flow through the exhaust gas cooler (32 ), taking into account measured values or values derived from the model, the intake gas temperature can be adjusted or regulated.
Description
Die Erfindung betrifft ein System zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus im Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, mit einer Abgasrückführeinrichtung mit einem Abgasrückführventil zum Zuführen von Abgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und mindestens einem als Abgaskühler wirkenden Wärmetauscher zur Absenkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases.The The invention relates to a system for influencing the intake gas temperature and thus the energy level in the combustion chamber of an internal combustion engine, especially an HCCI-enabled Internal combustion engine, with an exhaust gas recirculation device with an exhaust gas recirculation valve for feeding from exhaust of an earlier one Combustion cycle to fresh air or to a fresh air having mixture after injection of fuel an air / fuel / exhaust gas mixture with a for to provide the combustion advantageous energy level, and at least one as an exhaust gas cooler acting heat exchanger for lowering the temperature of the recirculated exhaust gas.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus im Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, bei dem Abgas eines früheren Verbrennungszyklus Frischluft beziehungsweise einem Frischluft aufweisenden Gemisch zugeführt wird, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und Abgas in einem als Abgaskühler wirkenden Wärmetauscher zur Absenkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases gekühlt wird.The The invention further relates to a method for influencing the Intake gas temperature and thus the energy level in the combustion chamber of a Internal combustion engine, in particular a HCCI-capable internal combustion engine, at the exhaust of an earlier combustion cycle Fresh air or a fresh air mixture having is fed after injection of fuel an air / fuel / exhaust gas mixture with a for to provide the combustion advantageous energy level, and Exhaust gas in one as an exhaust gas cooler acting heat exchanger is cooled to lower the temperature of the recirculated exhaust gas.
Im Zusammenhang mit Benzin-Direkteinspritzsystemen sind unterschiedliche Betriebsbedingungen bekannt. Diesen ist gemeinsam, dass eine Direkteinspritzung von Kraftstoff unter Hochdruck direkt in einen Brennraum erfolgt. Die Gemischbil dung erfolgt dann innerhalb des Brennraums. Herkömmlich unterscheidet man die Betriebsarten Homogenbetrieb und Schicht- beziehungsweise Magerbetrieb. Beim Homogenbetrieb liegt ein homogen über den gesamten Brennraum verteiltes Gemisch vor. Beim Schicht- beziehungsweise Magerbetrieb liegt nur im Bereich der Zündkerze ein Gemisch mit einer Luftzahl λ ≤ 1 vor. Das verbleibende Volumen des Brennraums ist mit angesaugter Frischluft, einem Inertgas aus der Abgasrückführung oder einem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt, so dass sich insgesamt eine Luftzahl von λ > 1 ergibt.in the Connection with gasoline direct injection systems are different Operating conditions known. This is common that a direct injection of fuel under high pressure directly into a combustion chamber. The Gemischbil tion then takes place within the combustion chamber. Conventionally different the operating modes homogeneous operation and shift or lean operation. At the Homogenous operation is homogeneous over the entire combustion chamber distributed mixture before. During shift or lean operation lies only in the area of the spark plug a mixture with an air ratio λ ≤ 1. The remaining volume of the combustion chamber is with sucked fresh air, an inert gas from the exhaust gas recirculation or a very lean air-fuel mixture filled so that total gives an air ratio of λ> 1.
Neben diesen herkömmlichen Betriebsarten wird vermehrt eine weitere Betriebsart als erfolgversprechend eingeschätzt, die dem Betrieb des selbstzündenden Dieselmotors ähnelt. Diese ist als HCCI-Betriebsart (Homogeneous Charge Compression Ignition) bekannt und stellt ein selbstzündendes Brennverfahren dar, bei dem der Zündzeitpunkt und damit der Verbrennungsverlauf über die reaktive Energiemenge im Zylinder gesteuert wird. Um ein ausreichendes Energieniveau bereitzustellen, bedient man sich üblicherweise einer Abgasrückführung über externe Stellmittel im Rahmen einer externen Abgasrückführung oder durch eine geeignete Gaswechselventilsteuerung im Rahmen einer internen Abgasrückführung.Next this conventional Operating modes is increasingly becoming another mode of operation than promising assessed, the operation of the self-igniting Diesel engine resembles. This is called HCCI mode (Homogeneous Charge Compression Ignition) known and provides a self-igniting combustion process in which the ignition timing and thus the combustion process over the reactive energy amount is controlled in the cylinder. To provide a sufficient level of energy, you usually use an exhaust gas recirculation via external Adjusting means in the context of an external exhaust gas recirculation or by a suitable Gas exchange valve control as part of an internal exhaust gas recirculation.
Bei der Einstellung des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum über die Abgasrückführrate ist jedoch zu berücksichtigen, dass dies nur innerhalb bestimmter Grenzen erfolgen kann. Da die Abgasrückführrate nicht nur das Temperaturniveau im Brennraum sondern auch das Mischungsverhältnis von Luft, Kraftstoff und Abgas beeinflusst, ist es unter Umständen nicht möglich, die Abgasrückführrate sowohl im Hinblick auf die Temperatur im Brennraum als auch im Hinblick auf das genannte Mischungsverhältnis optimal zu wählen.at the setting of the temperature level and thus the energy level in the combustion chamber over the Exhaust gas recirculation rate is However, to take into account that this can only be done within certain limits. Because the exhaust gas recirculation rate is not only the temperature level in the combustion chamber but also the mixing ratio of Air, fuel and exhaust are affected, it may not be possible, the exhaust gas recirculation rate both with regard to the temperature in the combustion chamber as well as with regard to to the said mixing ratio optimal to choose.
Somit können Kompromisse bei der Einstellung der Abgasrückführrate erforderlich werden, um einen zuverlässigen Betrieb des Verbrennungsmotors sicherzustellen.Consequently can Compromises in setting the exhaust gas recirculation rate become necessary a reliable one To ensure operation of the internal combustion engine.
Im Zusammenhang mit herkömmlich gezündeten Verbrennungsmotoren wurde bereits vorgeschlagen, eine gekühlte Abgasrückführung zu verwenden, wobei diese Kühlung des Abgases insbesondere auf eine Reduzierung der Stickoxidemissionen abzielte. Hierzu wird beispielsweise auf MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999) 7/8, Seite 470 ff. verwiesen: "Einhaltung zukünftiger Emissionsvorschriften durch gekühlte Abgasrückführung" von Karl-Heinrich Lösing und Rainer Lutz.in the Related to conventional ignited Internal combustion engines have already been proposed, a cooled exhaust gas recirculation use this cooling the exhaust gas in particular to a reduction of nitrogen oxide emissions aimed. For this purpose, for example, on MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999) 7/8, page 470 et seq.: "Compliance with future emissions regulations by chilled Exhaust gas recirculation "by Karl-Heinrich Lösing and Rainer Lutz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch die das Betriebsverhalten eines Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung des Energieniveaus im Brennraum und der zugeführten Ansauggasmenge verbessert wird.Of the Invention is based on the object, the disadvantages of the prior art to eliminate technology and in particular a system and a procedure to disposal through which the operating behavior of an internal combustion engine considering the energy level in the combustion chamber and the amount of intake gas supplied improves becomes.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.These The object is achieved by the features of the independent claims.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.advantageous embodiments of the invention are in the dependent claims specified.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen System dadurch auf, dass eine Entkopplung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Ansauggasmenge von der Temperatur des Ansauggases und eine gezielte Einstellung des Energieniveaus im Brennraum erreicht werden, indem ein Kühlmittelstellventil vorgesehen ist, so dass durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler unter Berücksichtigung von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastemperatur eingestellt beziehungsweise geregelt werden kann. Die zurückgeführte Abgasmenge ist daher nicht mehr zwingend an die mit der Abgasrückführung erreichte Temperaturerhöhung im Brennraum gekoppelt. Vielmehr lässt sich über die einstellbare Abgaskühlung der Energieinhalt im Brennraum in gewissen Grenzen unabhängig von der Abgasrückführrate einstellen. Somit können sowohl das Mischungsverhältnis und das Energieniveau im Brennraum optimal eingestellt werden.The invention is based on the generic system in that a decoupling of the internal combustion engine supplied Ansauggasmenge of the temperature of the intake gas and a targeted adjustment of the energy level can be achieved in the combustion chamber by a coolant control valve is provided so that by influencing the coolant flow through the exhaust gas cooler Taking account of measured values or values determined by the model, the intake gas temperature can be adjusted or regulated. The recirculated exhaust gas Quantity is therefore no longer necessarily coupled to the temperature increase achieved in the combustion chamber with the exhaust gas recirculation. On the contrary, the energy content in the combustion chamber can be set within certain limits independently of the exhaust gas recirculation rate by way of the adjustable exhaust gas cooling. Thus, both the mixing ratio and the energy level in the combustion chamber can be optimally adjusted.
Das erfindungsgemäße System ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Abgaskühler in einem separaten Wärmetauscherkreis angeordnet ist. Der Abgaskühler kann somit autark ohne Beeinflussung durch andere Komponenten des Kraftfahrzeugs arbeiten. Ebenso findet keine Beeinflussung anderer Komponenten des Kühlsystems des Fahrzeugs durch den Abgaskühler statt. Der autarke Kühlkreislauf umfasst dann einen separaten Kühler und eine separate Kühlmittelpumpe.The inventive system is advantageously further developed in that the exhaust gas cooler in arranged a separate heat exchanger circuit is. The exhaust gas cooler can thus be self-sufficient without interference from other components of the motor vehicle work. Likewise, there is no influence on other components of the cooling system of the Vehicle through the exhaust gas cooler instead of. The self-sufficient cooling circuit then includes a separate cooler and a separate coolant pump.
Es kann aber auch nützlich sein, dass der Abgaskühler in einem Motorkühlmittelkreis angeordnet ist. Auf diese Weise können Komponenten des Motorkühlmittelkreises für die Abgaskühlung genutzt werden, so dass insgesamt ein effizientes System realisiert wird.It but it can also be useful be that the exhaust gas cooler in an engine coolant circuit is arranged. In this way, components of the engine coolant circuit for the exhaust gas cooling be used so that overall an efficient system is realized becomes.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Abgaskühler als Motor- beziehungsweise Getriebeölwärmetauscher ausgelegt ist. Auch hierdurch können bestehende Komponenten des Fahrzeugs mitgenutzt werden.As well can be provided that the exhaust gas cooler as engine or Transmission oil heat exchanger is designed. This can also be existing Components of the vehicle be shared.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Messwerte beziehungsweise die mo delltechnisch ermittelten Werte mindestens einer der folgenden Größen zugeordnet sind:
- – Abgastemperatur,
- – zurückgeführte Abgasmasse beziehungsweise -menge,
- – Frischgastemperatur,
- – Frischgasmasse beziehungsweise -menge,
- – Ansauggastemperatur,
- – Ansauggasmasse beziehungsweise -menge,
- – Kühlmitteltemperatur beziehungsweise Öltemperatur des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls und
- – Kühlmittelmasse beziehungsweise Ölmasse beziehungsweise Kühlmittelmenge beziehungsweise Ölmenge des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls.
- - exhaust gas temperature,
- - recirculated exhaust gas mass or quantity,
- - fresh gas temperature,
- Fresh gas mass or quantity,
- Intake gas temperature,
- - intake gas mass or quantity,
- - Coolant temperature or oil temperature of the coolant flowing through the exhaust gas cooler or oil and
- - Coolant mass or oil mass or coolant amount or amount of oil flowing through the exhaust gas cooler or oil.
Wenn nachfolgend der Begriff "Menge" verwendet wird, kann auch eine "Masse" gemeint sein und umgekehrt. Die aktuelle Abgastemperatur und die zurückgeführte Abgasmenge sind in modernen Motorsteuerungen als Motorbetriebsgrößen bekannt. Sie können entweder modelltechnisch errechnet oder über entsprechende Sensoren direkt gemessen werden. Ebenso verhält es sich mit der Frischgasmenge und der Frischgastemperatur. Die Kühlmitteltemperaturen und die Öltemperaturen sind ebenfalls bekannt. Ist ferner die Kühlmittelmenge beziehungsweise die Ölmenge bekannt, die durch den Abgaswärmetauscher strömt, können in Kenntnis der Wärmetauschercharakteristik die Abgastemperatur am Wärmetauscheraustritt und damit die Mischtemperatur der Ansaugluft bestimmt werden.If hereinafter the term "quantity" is used can also be meant a "mass" and vice versa. The current exhaust gas temperature and the recirculated exhaust gas quantity are known in modern engine controls as engine operating variables. she can either calculated by the model or via appropriate sensors be measured directly. The same applies to the amount of fresh gas and the fresh gas temperature. The coolant temperatures and the oil temperatures are also known. Furthermore, is the amount of coolant or the amount of oil known by the exhaust gas heat exchanger flows, can in knowledge of the heat exchanger characteristic the exhaust gas temperature at the heat exchanger outlet and thus the mixing temperature of the intake air are determined.
Als besonders nützlich hat es sich erwiesen, dass ein Temperatursensor zum Erfassen der Frischgastemperatur, ein Temperatursensor zum Erfassen der Abgastemperatur am Motoraus tritt, eine Luftmassen- beziehungsweise -mengenmesseinrichtung zum Erfassen der Frischgasmasse beziehungsweise -menge und eine Abgasmassen- beziehungsweise -mengenmesseinrichtung zum Erfassen der Abgasmasse beziehungsweise -menge vorgesehen sind. Aus diesen Größen lassen sich in Kenntnis bestimmter Modelle beziehungsweise bestimmter Charakteristiken die wesentlichen Größen für eine zuverlässige Regelung der Ansauggastemperatur bestimmen.When especially useful It has been found that a temperature sensor for detecting the Fresh gas temperature, a temperature sensor for detecting the exhaust gas temperature occurs at the engine, an air mass or quantity measuring device for Detecting the fresh gas mass or quantity and an exhaust gas mass or quantity measuring device for detecting the exhaust gas mass or quantity are provided. Let out of these sizes in the knowledge of certain models or specific characteristics the essential quantities for a reliable regulation determine the intake gas temperature.
So ist das System in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Ansauggastemperatur unter Berücksichtigung der fol genden Parameter berechnet wird:
- m .FG:
- Frischgasmassenstrom
- m .A:
- Abgasmassenstrom
- TFG:
- Frischgastemperatur
- TAG:
- Abgastemperatur
- Cp,FG:
- Wärmekapazität des Frischgases
- Cp,AG:
- ärmekapazität des Abgases.
- m. FG :
- Fresh gas mass flow
- m. A :
- Exhaust gas mass flow
- T FG :
- Fresh gas temperature
- T AG :
- exhaust gas temperature
- C p, FG :
- Heat capacity of the fresh gas
- C p, AG :
- heat capacity of the exhaust gas.
Die Ansauggastemperatur kann somit in Kenntnis von gemessenen, bekannten beziehungsweise ebenfalls bereits modelltechnisch berechneten Größen ermittelt werden.The Ansauggastemperatur can thus in knowledge of measured, known or likewise already calculated model-wise sizes become.
In
diesem Zusammenhang ist es nützlich, dass
die Abgastemperatur am Wärmetauscherausgang
unter Verwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet wird:
- Q .:
- Wärmestrom
- KM:
- Kühlmittel
- AG:
- Abgas
- WT:
- Wärmetauscher
- Cp:
- Wärmekapazität
- k:
- Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
- A:
- Heizfläche des Wärmetauschers
- ΔTm:
- mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
- Q .:
- heat flow
- KM:
- coolant
- AG:
- exhaust
- WT:
- heat exchangers
- C p :
- heat capacity
- k:
- Heat transfer coefficient of the heat exchanger
- A:
- Heating surface of the heat exchanger
- .DELTA.T m:
- mean logarithmic temperature difference.
Aus der Kenntnis der Charakteristik des Wärmetauschers, das heißt insbesondere in Kenntnis der Parameter k und A lässt sich unter Berücksichtigung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz ΔTm also der im Wärmetauscher vorliegende Wärmestrom QWT errechnen. Hieraus ergibt sich in Kenntnis von Massenströmen, Wärmekapazitäten und weiteren Temperaturen die Abgastemperatur am Wärmetauscherausgang TAG,AUS.From the knowledge of the characteristic of the heat exchanger, that is to say in particular with knowledge of the parameters k and A, the heat flow Q WT present in the heat exchanger can be calculated taking into account the average logarithmic temperature difference ΔT m . This results in knowledge of mass flows, heat capacities and other temperatures, the exhaust gas temperature at the heat exchanger outlet T AG, OFF .
Das erfindungsgemäße System ist weiterhin in besonders nützlicher Weise dadurch fortgebildet, dass eine Verdichtungseinrichtung zum Verdichten von angesaugter Frischluft vorgesehen ist, die vor der Verdichtung eine Temperatur T1 aufweist, dass Expansionsmittel vorgesehen sind, die eine Expansion der verdichteten angesaugten Frischluft bewirken, wobei die verdichtete und nachfolgend expandierte Frischluft eine Temperatur T2 > T1 aufweist, und dass die Temperaturerhöhung der Frischluft von T1 auf T2 zur Beeinflussung des Temperaturni veaus und damit des Energieniveaus im Brennraum zusätzlich zu der Abgasrückführung gezielt eingesetzt wird. Auf diese Weise kann das Energieniveau im Brennraum durch Temperaturerhöhung beziehungsweise Temperaturregelung der Frischgastemperatur sehr fein variiert und eingestellt werden. Somit kann der Verbrennungsprozess im HCCI-Modus genau kontrolliert werden. Das Temperaturniveau im Brennraum kann dabei über den Verdichtungsgrad und die anschließende Expansion beeinflusst werden, zusätzlich zur Beeinflussung des Temperaturniveaus durch die Abgasrückführung.The system according to the invention is further developed in a particularly useful manner in that a compression device is provided for compressing fresh intake air, which has a temperature T 1 before compression, that expansion means are provided, which cause expansion of the compressed intake fresh air, wherein the compressed and subsequently expanded fresh air has a temperature T 2 > T 1 , and that the temperature increase of the fresh air from T 1 to T 2 for influencing the Temperaturni veaus and thus the energy level in the combustion chamber in addition to the exhaust gas recirculation is used selectively. In this way, the energy level in the combustion chamber can be varied and adjusted very finely by increasing the temperature or regulating the temperature of the fresh gas temperature. Thus, the combustion process can be accurately controlled in HCCI mode. The temperature level in the combustion chamber can be influenced by the degree of compression and the subsequent expansion, in addition to influencing the temperature level by the exhaust gas recirculation.
Das erfindungsgemäße System ist insbesondere dann nützlich einsetzbar, wenn die Verdichtungseinrichtung ein Abgasturbolader ist. Dabei handelt es sich um eine häufig verwendete Vorrichtung zur Erhöhung der Gasdichte im Ansaugsystem, so dass im Brennraum eine erhöhte Luftmenge bereitgestellt werden kann, was zu einer Leistungserhöhung des Verbrennungsmotors führt. Angetrieben wird der Abgasturbolader durch einen Verdichterläufer einer im Abgasstrom liegenden Turbine.The inventive system is especially useful then can be used when the compression device is an exhaust gas turbocharger is. This is a commonly used device for increase the gas density in the intake system, so that in the combustion chamber an increased amount of air can be provided, resulting in a power increase of Internal combustion engine leads. The exhaust gas turbocharger is driven by a compressor rotor in the exhaust stream turbine.
Ebenso ist das System nützlich einsetzbar, wenn die Verdichtungseinrichtung ein Kompressor ist. Dieser dient ebenfalls zur Verdichtung des Gasdrucks im Ansaugsystem, wobei die Antriebsenergie mechanisch vom Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt wird.As well the system is useful used when the compression device is a compressor. This also serves to compress the gas pressure in the intake system, wherein the drive energy provided mechanically by the internal combustion engine becomes.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Expansion an einer Drosselklappe erfolgt. Bei Direkteinspritzsystemen dient die Drosselklappe dem dosierten Zuführen von Frischluft, wobei durch die Drosselwirkung eine Verringerung des Druckes erfolgt. Letztlich weist die im Abgasturbolader oder im Kompressor verdichtete und an der Drosselklappe expandierte Luft gemäß thermodynamischer Grundregeln eine höhere Temperatur auf als die ursprünglich angesaugte Frischluft.Usefully is provided that the expansion takes place at a throttle valve. In direct injection systems, the throttle valve serves the dosed Respectively of fresh air, whereby by the throttling effect a reduction the pressure takes place. Ultimately, the points in the exhaust gas turbocharger or in the compressor compressed and expanded at the throttle air according to thermodynamic Principles a higher Temperature up than the original one sucked fresh air.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur T2 in Strömungsrichtung des Frischgases hinter den Expansionsmitteln angeordnet ist, so dass diese im Rahmen einer Regelung der Ansauggastemperatur berücksichtigt werden kann. Die Temperatur der Frischluft hinter der Drosselklappe ist somit eine wichtige Eingangsgröße, um letztlich das Energieniveau im Brennraum für die HCCI-Betriebsart vorteilhaft festzulegen.The invention is further developed in a particularly advantageous manner in that a temperature sensor for detecting the temperature T 2 in the flow direction of the fresh gas is arranged behind the expansion means, so that it can be taken into account in the context of a regulation of the intake gas temperature. The temperature of the fresh air behind the throttle is thus an important input to ultimately set the energy level in the combustion chamber for the HCCI mode advantageous.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass eine Entkopplung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Ansauggasmenge von der Temperatur des Ansauggases und eine gezielte Einstellung des Energieniveaus im Brennraum erreicht werden, indem durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler mittels eines Kühlmittelstellventils unter Berücksichtigung von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastemperatur eingestellt beziehungsweise geregelt wird. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Systems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The Invention builds on the generic method thereby, a decoupling of the amount of intake gas supplied to the internal combustion engine from the temperature of the intake gas and a targeted adjustment of the energy level in the combustion chamber can be achieved by influencing the coolant flow through the exhaust gas cooler by means of a coolant control valve considering of measured values or model-technically determined values the intake gas temperature is adjusted or regulated. In this way, the advantages and peculiarities of the system according to the invention also implemented as part of a procedure. This also applies to the following specified particularly preferred embodiments of the method according to the invention.
Dieses ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Messwerte beziehungsweise die modelltechnisch ermittelten Werte mindestens einer der folgenden Größen zugeordnet sind:
- – Abgastemperatur,
- – zurückgeführte Abgasmasse beziehungsweise -menge,
- – Frischgastemperatur,
- Frischgasmasse beziehungsweise -menge,
- – Ansauggastemperatur,
- – Ansauggasmasse beziehungsweise -menge,
- – Kühlmitteltemperatur beziehungsweise Öltemperatur des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls und
- – Kühlmittelmasse beziehungsweise Ölmasse beziehungsweise Kühlmittelmenge beziehungsweise Ölmenge des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls.
- - exhaust gas temperature,
- - recirculated exhaust gas mass or quantity,
- - fresh gas temperature,
- Fresh gas mass or quantity,
- Intake gas temperature,
- - intake gas mass or quantity,
- - Coolant temperature or oil temperature of the coolant flowing through the exhaust gas cooler or oil and
- - Coolant mass or oil mass or coolant amount relatiefwei the amount of oil flowing through the exhaust gas cooler or oil.
Als besonders nützlich hat es sich erwiesen, dass die Frischgastemperatur, die Abgastemperatur am Motoraustritt, die Frischgasmasse beziehungsweise -menge und die Abgasmasse beziehungsweise -menge gemessen werden.When especially useful it has been proven that the fresh gas temperature, the exhaust gas temperature at Engine outlet, the fresh gas mass or quantity and the Exhaust mass or quantity to be measured.
Das Verfahren ist in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Ansauggastemperatur unter Berücksichtigung der folgenden Parameter berechnet wird:
- m .FG:
- Frischgasmassenstrom
- m .AG:
- Abgasmassenstrom
- TFG:
- Frischgastemperatur
- TAG:
- Abgastemperatur
- Cp,FG:
- Wärmekapazität des Frischgases
- Cp,Ac:
- Wärmekapazität des Abgases.
- m. FG :
- Fresh gas mass flow
- m. AG :
- Exhaust gas mass flow
- T FG :
- Fresh gas temperature
- T AG :
- exhaust gas temperature
- C p, FG :
- Heat capacity of the fresh gas
- Cp, Ac :
- Heat capacity of the exhaust gas.
In
diesem Zusammenhang ist es nützlich, dass
die Abgastemperatur am Wärmtauscherausgang
unter Verwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet wird:
- Q .:
- Wärmestrom
- KM:
- Kühlmittel
- AG:
- Abgas
- WT:
- Wärmetauscher
- Cp:
- Wärmekapazität
- k:
- Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
- A:
- Heizfläche des Wärmetauschers
- ΔTm:
- mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
- Q .:
- heat flow
- KM:
- coolant
- AG:
- exhaust
- WT:
- heat exchangers
- C p :
- heat capacity
- k:
- Heat transfer coefficient of the heat exchanger
- A:
- Heating surface of the heat exchanger
- .DELTA.T m:
- mean logarithmic temperature difference.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass angesaugte Frischluft, die vor der Verdichtung eine Temperatur T1 aufweist, verdichtet wird, dass die verdichtete angesaugte Frischluft expandiert wird, wobei die verdichtete und nachfolgend expandierte Frischluft eine Temperatur T2 > T1 aufweist, und dass die Temperaturerhöhung der Frischluft von T1 auf T2 zur Beeinflussung des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum zusätzlich zu der Abgasrückführung gezielt eingesetzt wird.In a particularly advantageous embodiment of the method is provided that sucked fresh air, which has a temperature T 1 before compression, is compressed, that the compressed sucked fresh air is expanded, wherein the compressed and subsequently expanded fresh air has a temperature T 2 > T 1 , And that the temperature increase of the fresh air from T 1 to T 2 for influencing the temperature level and thus the energy level in the combustion chamber is used in addition to the exhaust gas recirculation targeted.
Dieses zeichnet sich besonders dann als vorteilhaft aus, wenn die Verdichtung durch einen Abgasturbolader erfolgt.This is particularly advantageous when the compression takes place through an exhaust gas turbocharger.
Gleichermaßen ist das Verfahren dann nützlich, wenn die Verdichtung durch einen Kompressor erfolgt.Equally is the process then useful when the compression is done by a compressor.
Nützlicherweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Expansion an einer Drosselklappe erfolgt.Usefully is further provided that the expansion of a throttle he follows.
Das Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Temperatur T2 nach der Expansion erfasst wird, so dass diese im Rahmen einer Regelung der Ansauggastemperatur berücksichtigt werden kann.The method is developed in a particularly advantageous manner in that the temperature T 2 is detected after the expansion, so that it can be considered in the context of a regulation of the intake gas temperature.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass über die kontrollierte Einstellung der Abgastemperatur neben der Abgasrückführrate eine weitere unabhängige Stellgröße zum Beeinflussen des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum zur Verfügung steht und damit ein zusätzliches Mittel zur Verbrennungsprozesskontrolle. Die Einflussnahme auf den Prozess erfolgt hinsichtlich des Entzündungszeitpunktes des komprimierten Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisches und der sich daraus ergebenden Folgegrößen, wie Druckverlauf und Verbrennung, Spitzendruck, Verbrennungsschwerpunkt und Verbrennungsgeschwindigkeit. Diese wiederum sind entscheidend verantwortlich für das gesamtmotorische Verhalten im Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionen, Laufunruhe und Akustik. Der Erfindung kommt die Tatsache entgegen, dass in modernen Motorsteuerungen alle relevanten Informationen und Betriebsgrößen, beispielsweise Temperaturen und Stoffmassen beziehungsweise Mengen, bereits vorliegen, die zur Kontrolle des HCCI-Verbrennungsprozesses mittels Abgastemperaturregelung nötig sind. Die Erfindung kann auch wirksam eingesetzt werden, um veränderten Umgebungs- oder Betriebsbedingungen verbrennungsmotorisch zu begegnen, wie es zum Beispiel beim Motorwarmlauf oder im Sommer-/Winterbetrieb bei stark unterschiedlichen Um gebungstemperaturen der Fall ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es besonders nützlich, dass durch die gezielte Beeinflussung beziehungsweise die gezielte Berücksichtigung der Frischgastemperatur das Energieniveau im Brennraum des Verbrennungsmotors sehr fein variiert und genau kontrolliert werden kann. Neben dem Prinzip der Abgasrückführung und Abgaskühlung steht somit ein weiteres unabhängiges Instrument zur Beeinflussung des Temperaturniveaus und damit zur Verbrennungsprozesskontrolle zur Verfügung. Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass, ausgehend von Kaltstartbedingungen, unter denen ein HCCI-Betrieb aufgrund des zu niedrigen Temperaturniveaus nicht möglich ist, das Frischgas aufgeheizt und somit ein früheres Umschalten in den emissionsgünstigen HCCI-Modus möglich ist.Of the Invention is based on the finding that the controlled setting the exhaust gas temperature in addition to the exhaust gas recirculation rate a further independent manipulated variable to influence the temperature level and thus the energy level in the combustion chamber to disposal stands and thus an additional Means for combustion process control. The influence on the Process takes place with regard to the time of ignition of the compressed air / fuel / exhaust gas mixture and the resulting resulting quantities, such as pressure curve and combustion, Peak pressure, combustion center and combustion speed. These in turn are critically responsible for the overall motor Behavior in terms of efficiency, emissions, rough running and Acoustics. The invention is opposed by the fact that in modern engine controls all relevant information and operating variables, such as temperatures and masses or quantities, already present, which Control of the HCCI combustion process necessary by means of exhaust gas temperature control. The invention can also be used effectively to changed environmental or operating conditions Combustion engine encounter, as for example during engine warm-up or in summer / winter operation at widely varying ambient temperatures the case is. In a preferred embodiment it is particular useful, that through the targeted influence or the targeted consideration the fresh gas temperature, the energy level in the combustion chamber of the internal combustion engine varies very finely and can be controlled exactly. Next to the Principle of exhaust gas recirculation and exhaust gas cooling is thus another independent Instrument for influencing the temperature level and thus for Combustion process control available. The invention offers especially the advantage that, starting from cold start conditions, HCCI operation due to low temperature levels not possible is, the fresh gas heated and thus an earlier switch to the low-emission HCCI mode possible is.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The Invention will now be described with reference to the accompanying drawings preferred embodiments exemplified.
Es zeigen:It demonstrate:
Das
Kühlmittelsystem
Das
dargestellte System arbeitet wie folgt. Aus dem Verbrennungsmotor
Die
Abgastemperatur TAG,AUS am Ausgang des Abgaskühlers
- Q .:
- Wärmestrom
- KM:
- Kühlmittel
- AG:
- Abgas
- WT:
- Wärmetauscher
- Cp:
- Wärmekapazität
- k:
- Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
- A:
- Heizfläche des Wärmetauschers
- ΔTm:
- mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
- Q .:
- heat flow
- KM:
- coolant
- AG:
- exhaust
- WT:
- heat exchangers
- C p :
- heat capacity
- k:
- Heat transfer coefficient of the heat exchanger
- A:
- Heating surface of the heat exchanger
- .DELTA.T m:
- mean logarithmic temperature difference.
Die Temperatur des Ansauggases kann dann unter Verwendung der folgenden Parameter berechnet werden:
- m .FG:
- Frischgasmassenstrom
- m .AG:
- Abgasmassenstrom
- TFG:
- Frischgastemperatur
- TAG:
- Abgastemperatur
- Cp,FG:
- Wärmekapazität des Frischgases
- Cp,AG:
- Wärmekapazität des Abgases.
- m. FG :
- Fresh gas mass flow
- m. AG :
- Exhaust gas mass flow
- T FG :
- Fresh gas temperature
- T AG :
- exhaust gas temperature
- C p, FG :
- Heat capacity of the fresh gas
- C p, AG :
- Heat capacity of the exhaust gas.
Das
in
Die
Ansauggastemperaturregelung gemäß
Um
die im Zusammenhang mit
Die
Erfindung lässt
sich wie folgt zusammenfassen: Bei einem HCCI-fähigen Verbrennungsmotor, der
mit einer Abgasrückführeinrichtung
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The in the above description, in the drawings and in the claims disclosed features of the invention can both individually and also in any combination for the realization of the invention be essential.
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