化學計量的燃燒方法在自點火式內燃機、尤其是柴油機中實現(xiàn)了對由汽油發(fā)動機已知的三元催化器的利用，所述三元催化器具有來自排氣設備的最少排放。在系統(tǒng)的耗費和成本方面，三元催化器是在自點火式內燃機中的廢氣再處理的明顯簡化。在化學計量的燃燒方法中的缺點是，可能相對于超化學計量的(稀燃)運行產生較高的CO2和炭黑排放。

借助作為傳統(tǒng)柴油的備選燃料、優(yōu)選燃氣對化學計量的燃燒的調節(jié)提供了降低CO2和炭黑排放的潛力，同時保持了具有簡化的廢氣再處理的自點火式內燃機的優(yōu)點。原則上，一般已知借助通過燃氣(燃燒氣體)、例如沼氣、液化石油氣(LPG)、壓縮天然氣(CNG)或者蒸發(fā)的液態(tài)天然氣(LNG)代替新鮮空氣對化學計量的混合物的調節(jié)。例如在專利文獻WO 2011/154028 A1和WO 2011/154027 A1中描述了具有可變的空氣燃料比的雙燃料式增壓發(fā)動機，尤其是自點火式發(fā)動機，其中優(yōu)選是指具有氫氣混合物運行的外源點火的發(fā)動機。

在專利文獻DE 103 21 793 A1中描述了一種用于運行雙燃料內燃機的方法，所述內燃機可以借助如氫氣的燃料稀燃地運行。定義與化學計量的空氣燃料比相鄰的第一稀燃區(qū)域和朝向更大的λ值與之相連接的第二稀燃區(qū)域，其中，在第二稀燃區(qū)域中或者在接近化學計量的空氣比時進行運行。

專利文獻WO 02/101214 A1涉及一種雙燃料柴油發(fā)動機的控制系統(tǒng)，所述柴油發(fā)動機在第一運行方式中只通過柴油運行并且在第二運行方式中通過由柴油和甲烷氣體構成的混合物運行。

在單純的燃氣運行中借助三元催化器的用于內燃機的化學計量的燃燒方法原則上已知并且擴展地用于外部點火的內燃機。在這種情況下，特別值得力求實現(xiàn)沒有不期望的甲烷排放的完全燃燒，因為甲烷對溫室效應的影響約是CO2的25倍。單純的燃氣運行的實際限制對于這種內燃機的使用者通過迄今只受限地存在的基礎設施給出。最后，燃氣可能在接近發(fā)動機滿載時導致爆震，因此為了避免這一點必須使效率變差地調節(jié)點火時間點。

在此背景下，本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種用于運行自點火式的、尤其是雙燃料內燃機的方法，其將通過第一燃料的運行方式的優(yōu)點與通過由第一和第二燃料構成的混合物的運行方式的優(yōu)點尤其在排放性能方面相結合。

該技術問題按本發(fā)明通過一種用于運行自點火式內燃機的具有權利要求1所述特征的方法解決。本發(fā)明的有利擴展設計在從屬權利要求中給出。

在按照本發(fā)明的用于運行能夠以第一燃料和/或第二燃料運行的自點火式內燃機、尤其是雙燃料內燃機的方法中，在一種運行方式中，在可能的載荷-轉速-值(在特征場中)的第一部分區(qū)域中通過由第一和第二燃料組成的混合物基本上按化學計量地運行內燃機。在可能的載荷-轉速-值(在特征場中)的與第一部分區(qū)域不同的第二部分區(qū)域中，只通過第一燃料運行內燃機。

按照本發(fā)明可以調節(jié)按化學計量的混合物，方式為通過第二燃料代替新鮮空氣：為了實現(xiàn)按化學計量的混合物，將超出與第一燃料化學反應的化學計量比例的新鮮空氣部分用于按化學計量地燃燒第二燃料。在此按照本發(fā)明規(guī)定，自點火式內燃機的特征場分布到上述也稱為運行區(qū)域的部分區(qū)域中。

由此可以簡化對自點火式內燃機的廢氣再處理并且降低系統(tǒng)成本。尤其可以省去用于減少或者去除氮氧化物的廢氣再處理部件，例如SCR催化系統(tǒng)和/或氮氧化物存儲系統(tǒng)。取而代之，能夠以非常高的用于氮氧化物、碳氫化合物、一氧化碳的轉化率在自點火式內燃機中使用三元催化器。在按化學計量的運行中，可以提高廢氣溫度以支持廢氣再處理。以此方式，在具有具體的第一和第二燃料的內燃機的具體設計方案中，可以實現(xiàn)提高的甲烷氧化、提高的炭黑氧化和/或顆粒過濾器的連續(xù)再生。以有利的方式，可以基于燃氣的改善的H-C比實現(xiàn)CO2排放或者燃料消耗的過補償或者減少。由此相對于在燃燒中釋放的能量減少了CO2排放。最后也可以減少炭黑排放和/或減少在廢氣再處理中顆粒過濾器的裝載。

優(yōu)選地，在另一種運行方式中，在可能的載荷-轉速-值的第一部分區(qū)域中只通過第一燃料按化學計量地運行內燃機。以此有利的方式可以與用于第二燃料的基礎設施無關地在整個特征場中運行內燃機。

所述第一部分區(qū)域和第二部分區(qū)域可以在載荷分界線條處彼此相鄰。第一和第二部分區(qū)域可以互補為整個特征場。在此，第一部分區(qū)域優(yōu)選由滿載線條、載荷分界線條、最小轉速線條的延伸區(qū)段和最大轉速線條的延伸區(qū)段限定，并且第二部分區(qū)域由最小載荷線條、載荷分界線條、最小轉速線條的另一延伸區(qū)段和最大轉速線條的另一延伸區(qū)段限定。

在按照本發(fā)明的用于運行自點火式內燃機的方法的一種優(yōu)選實施形式中，在所述運行方式中，在第一部分區(qū)域中，混合物以其第一燃料的第一比例和第二燃料的第二比例可變地被輸送用于燃燒反應。在此，所述第一比例和第二比例互補為100％并且第一比例在100％至10％之間并且第二比例在0％至90％之間。

特別有利和優(yōu)選的是，所述內燃機還在第二部分區(qū)域中超化學計量地運行(λ＞1)。

在按照本發(fā)明的方法的一種有利的擴展設計中，當在所述運行方式中出現(xiàn)不規(guī)則的燃燒現(xiàn)象時，在第一部分區(qū)域中、在第一部分區(qū)域的子區(qū)域內將混合物中的第二燃料的比例減少至低于90％。

具體地，在所述方法的優(yōu)選實施形式中，將柴油用作第一燃料并且將燃氣、尤其是沼氣、液態(tài)甲烷、壓縮天然氣(特別優(yōu)選)或者液化天然氣用作第二燃料。

應用按照本發(fā)明的方法的自點火式內燃機可以具有至少一個廢氣再循環(huán)裝置、高壓和/或低壓廢氣再循環(huán)裝置。對于這種內燃機優(yōu)選的是，在所述另一種運行方式中，在第一部分區(qū)域中不使廢氣再循環(huán)和/或當在第二部分區(qū)域中運行時使廢氣再循環(huán)。

這種按照本發(fā)明的自點火式內燃機需要與所謂的雙燃料(Dual-Fuel)發(fā)動機區(qū)分開。雙燃料(Dual-Fuel)發(fā)動機是燃氣-柴油發(fā)動機，它們借助射束點火方式運行。在射束點火方式中不超過柴油燃料的99％由燃氣代替。因為燃氣具有相對較高的辛烷值，所以需要外源點火。所使用的柴油燃料用作點火油并且點燃空氣-燃氣-混合物。在此，柴油燃料只提供不超過總能量的1％。在按照本發(fā)明的方法中所使用的柴油燃料量更高。借助少量的柴油點燃燃氣的射束點火方式在按化學計量的或者超化學計量的運行中例如由以下專利文獻已知：EP 964 139 B1、DE 198 26 477 A1、DE 197 54 354 C1、DE 195 05 127 C1、DE 34 04 038 A1和AT 5936 U1。

與本發(fā)明的理念相關地也涉及一種自點火式內燃機，其優(yōu)選用于機動車，尤其是無軌的地面車輛，如轎車或者商用車，其具有包括至少一個計算機和(可由計算機讀取的)存儲器元件的控制裝置。按照本發(fā)明，在存儲器元件中保存有程序，所述程序在至少部分地在計算機上運行時執(zhí)行具有按照本說明書所述特征或者特征組合的用于運行自點火式內燃機的方法。內燃機優(yōu)選是可增壓進氣的。

在本說明書中顯示的特征可以單獨地或者相組合地、以所有的特征或者只以所有特征的集合的一個子集地在按照本發(fā)明的方法和/或按照本發(fā)明的內燃機中實現(xiàn)。

本發(fā)明的其它優(yōu)點和有利的實施形式和擴展設計根據(jù)以下參照附圖的說明顯示。在附圖中單獨地：

圖1示出增壓進氣的柴油發(fā)動機的一種實施形式的示意圖，其中使用按照本發(fā)明的方法；

圖2示出按照圖1的增壓進氣的柴油發(fā)動機針對其柴油-燃氣-混合運行的示例性載荷-轉速-特征場，按照本發(fā)明地劃分為第一和第二部分區(qū)域，其中，第一部分區(qū)域分為兩個子區(qū)域；并且

圖3示出按照圖1的增壓進氣的柴油發(fā)動機針對其純柴油運行的示例性載荷-轉速-特征場，按照本發(fā)明地劃分為第一和第二部分區(qū)域，其中，所述劃分與按照圖2的劃分相同。

在圖1中示意性示出的自點火式內燃機10是增壓進氣的柴油發(fā)動機，其具有用于直接將柴油燃料置入燃燒室中的傳統(tǒng)的燃料系統(tǒng)。單獨的組件在圖1中的附圖標記的對應關系在以下所附的附圖標記清單中列出。借助柴油氧化催化器28和柴油顆粒過濾器30的廢氣再處理也可以在備選的實施形式中通過三元催化器代替。流過渦輪機18的廢氣仍包含顆粒，而這些顆粒借助柴油氧化催化器28和柴油顆粒過濾器30的組合從廢氣中去除。氮氧化物、未燃燒的碳氫化合物(HC)和一氧化碳在下游借助三元催化器38從廢氣中去除。換而言之，在廢氣到達廢氣出口40之前為由柴油氧化催化器28和柴油顆粒過濾器30組成的廢氣再處理系統(tǒng)擴展了三元催化器。所述三元催化器也可以備選地代替氧化催化器或者連接在柴油顆粒過濾器之后。發(fā)動機還具有廢氣再循環(huán)裝置，在本實施形式中設計為高壓廢氣再循環(huán)裝置24(HD-EGR)和低壓廢氣再循環(huán)裝置32(ND-EGR)。HD-EGR24可以借助HD-EGR閥26控制。ND-EGR32具有廢氣冷卻器34。ND-EGR同樣可以借助閥進行控制。其在三元催化器38上游的廢氣閥門36之前分支并且在壓縮機16上游匯入空氣輸入裝置14中。

柴油發(fā)動機附加地配設有用于燃氣的噴入裝置。用于燃氣的可能噴入位置作為位置42至52在圖1中示出：可以實現(xiàn)進入空氣輸入裝置14的中央噴入(第一至第四位置42、44、46、48)、在壓縮機16、增壓空氣冷卻器20和節(jié)流閥22之前或者之后，或者特別優(yōu)選地針對每個氣缸單獨地進行通道噴入(第五位置50，MPI)。作為對此的備選，可以直接噴入發(fā)動機缸體12中的氣缸內，在圖1中只針對一個氣缸顯示(第六位置52，DI)。

在圖2中示出按照圖1的增壓進氣的柴油發(fā)動機針對其柴油-燃氣-混合運行(第一運行方式)的示例性載荷-轉速-特征場和按照本發(fā)明的劃分。在縱坐標上畫出了載荷54并且在橫坐標上顯示轉速56。柴油發(fā)動機的特征場分為第一部分區(qū)域58和第二部分區(qū)域60(運行區(qū)域)，它們分別具有不同的柴油發(fā)動機運行方式。

在載荷較小時，發(fā)動機在第二部分區(qū)域60中超化學計量地以柴油燃料運行(λ＞1)。借助廢氣再循環(huán)裝置處理在此出現(xiàn)的氮氧化物排放。從中等載荷開始直至較高載荷，在第一部分區(qū)域58的第一子區(qū)域62中調節(jié)形成按化學計量的柴油-燃氣-混合物(λ＝1)，因此借助三元催化器達到最高的未處理廢氣轉化率。為了調節(jié)形成按化學計量的廢氣，一部分新鮮空氣被燃氣代替。柴油與燃氣之間的比從100％柴油和0％燃氣到達約10％柴油和約90％燃氣。優(yōu)選地，這種按化學計量的運行在最佳的燃燒中心位置中實現(xiàn)，具體為Al50％，朝上部止點5至15度的曲軸角。

在最高載荷中，在第一部分區(qū)域58的第二子區(qū)域64中直至到達滿載線條之前與第一部分區(qū)域58的第一子區(qū)域62類似地進行。在出現(xiàn)不規(guī)則的燃燒時，例如在爆震燃燒時，降低燃氣比例并且相應地提高柴油比例。尤其是燃氣比例降至90％以下。

圖3示出按照圖1的增壓進氣的柴油發(fā)動機針對其純柴油運行的示例性載荷-轉速-特征場和按照本發(fā)明的劃分。在縱坐標上畫出了載荷54并且在橫坐標上顯示轉速56。柴油發(fā)動機的特征場分為第一部分區(qū)域58和第二部分區(qū)域60(運行區(qū)域)，它們分別具有不同的柴油發(fā)動機運行方式。

在這種運行方式中，柴油發(fā)動機可以在整個特征場中只通過柴油運行。在載荷較小時，發(fā)動機在第二部分區(qū)域60中超化學計量地以柴油燃料運行(λ＞1)。借助廢氣再循環(huán)裝置處理在此出現(xiàn)的氮氧化物排放。從中等載荷開始直至較高載荷66，在第一部分區(qū)域58中調節(jié)形成按化學計量的混合物(λ＝1)，因此借助三元催化器達到最高的未處理廢氣轉化率。在這種載荷中不進行廢氣再循環(huán)。為了調節(jié)形成按化學計量的廢氣，優(yōu)選通過渦輪增壓器的可變的渦輪幾何形狀減少新鮮空氣質量。

在第一部分區(qū)域58與第二部分區(qū)域60之間的區(qū)別，尤其是載荷分界線條在優(yōu)選實施形式中的準確位置還將進一步闡述。

在第二部分區(qū)域60中，柴油發(fā)動機通過空氣過量運行并且因此具有λ≈1.1-6.0的空氣燃料比。為了能夠在運行點保持不變的同時調節(jié)形成按化學計量的混合物(λ＝1)，需要減少空氣質量并且將品質調節(jié)(通過燃料量)轉換為量的調節(jié)(通過混合物量)，其中空氣和燃料總是具有相同比例。在特征場的第二部分區(qū)域60中的載荷較小時，空氣質量已經小到使得為了進行按化學計量的運行(λ＝1)，空氣質量通過壓縮機的增壓壓力借助可變的渦輪幾何形狀不能進一步降低。增壓壓力已經是環(huán)境壓力并且不能進一步降低。與在外源點火的發(fā)動機或者汽油發(fā)動機中類似地，需要在這個發(fā)動機特征場區(qū)域中節(jié)流，以便得到期望的減少的空氣質量。但是節(jié)流對效率有負面影響并且因此提高了燃料消耗。因此，發(fā)動機應從進氣滿負荷、無節(jié)流的最小進氣壓力的邊界開始才轉換至按化學計量的運行。在該邊界(載荷分界線條)之下，柴油發(fā)動機在第二部分區(qū)域60中通過空氣過量(λ＜1)運行。NO_x排放通過廢氣再循環(huán)減少，HC和CO的排放由氧化催化器或者三元催化器轉化。從進氣滿載開始，柴油發(fā)動機在第一部分區(qū)域58中按化學計量地(λ＝1)通過量的調節(jié)運行?？諝赓|量優(yōu)選通過可變的渦輪幾何形狀調節(jié)。λ＝1的空氣燃料比實現(xiàn)了三元催化器的使用，所述三元催化器可以轉換三種特別不期望的燃燒產物(NO_x、CO和HC)。

然而，柴油發(fā)動機的按化學計量的運行具有熱動力學缺點，因此燃料消耗升高。此外，由于空氣質量相對于按超化學計量的運行較小，所以炭黑排放升高。因為燃氣相對于柴油具有更好的H-C比并且?guī)缀醪划a生炭黑地延燒，所以按照本發(fā)明的目的在于在該特征場區(qū)域中通過燃氣代替一部分柴油燃料。以有利的方式，燃料消耗和炭黑排放可以在通過燃氣-柴油-混合物的λ＝1運行時比通過純柴油的λ＝1的運行時降低。

在第一部分區(qū)域58的第一子區(qū)域62與第一部分區(qū)域58的第二子區(qū)域62之間的區(qū)別，尤其是分界線條的準確位置還將補充地闡述。燃氣可以如汽油燃料那樣在某些邊界條件下自燃，這導致爆震的燃燒。原因主要是較高的氣缸壓力和氣缸溫度，如它們在柴油發(fā)動機中在滿載和接近滿載時出現(xiàn)的那樣。在汽油發(fā)動機中，爆震通過減小壓縮比和通過后調點火時間點解決。然而，兩者對效率有負面影響，也就是使消耗提高。對于這種情況，在上部特征場范圍中將燃氣比例減小到在現(xiàn)有的邊界條件中不會導致爆震燃燒的量。柴油的量相應地提高。

最后說明用于在柴油和燃氣之間的燃料分布的例子。燃氣和柴油之比針對具體的柴油發(fā)動機通過試驗確定并且以特征場(與載荷和轉速有關的燃氣柴油比)的形式保存在發(fā)動機控制器中?？諝?燃料比λ定義為空氣質量除以燃料質量和燃料的最小空氣需求的積得到的商。

這針對在通過燃氣和柴油的運行中的分配計算實際表示，分母是分別針對柴油和燃氣的質量和最小空氣需求的積之和。

由此能夠在已知柴油質量和空氣質量和已知λ時確定燃氣質量。

示例性地，在用于柴油的最小空氣需求為每kg柴油14.5kg空氣、柴油質量為0.5kg、用于燃氣的最小空氣需求為每kg燃氣16kg空氣和空氣質量為14.5kg時，在按化學計量的燃燒(λ＝1)時的燃氣質量為0.453kg。

附圖標記清單

10 自點火式內燃機

12 發(fā)動機缸體

14 空氣輸入裝置

16 壓縮機

18 渦輪機

20 增壓空氣冷卻器

22 節(jié)流閥

24 高壓廢氣再循環(huán)裝置(HD-EGR)

26 HD-EGR閥

28 柴油氧化催化器

30 柴油顆粒過濾器

32 低壓廢氣再循環(huán)裝置(ND-EGR)

34 廢氣冷卻器

36 廢氣閥門

38 三元式催化器

40 廢氣出口

42 用于噴入燃氣的第一位置

44 用于噴入燃氣的第二位置

46 用于噴入燃氣的第三位置

48 用于噴入燃氣的第四位置

50 用于噴入燃氣的第五位置

52 用于噴入燃氣的第六位置

54 載荷

56 轉速

58 第一部分區(qū)域

60 第二部分區(qū)域

62 第一子區(qū)域

64 第二子區(qū)域

66 滿載線條