AT515613A1 - Verfahren zum Erwärmen von abgasführenden Komponenten - Google Patents

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AT515613A1 ATA50238/2014A AT502382014A AT515613A1 AT 515613 A1 AT515613 A1 AT 515613A1 AT 502382014 A AT502382014 A AT 502382014A AT 515613 A1 AT515613 A1 AT 515613A1
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Rolf Dipl Ing Dreisbach
Martin Dipl Ing Abart
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Avl List Gmbh
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von abgasführenden Komponenten im Abgasstrang einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine. Um auf einfache und effektive Weise ein rasches Anheben der Temperaturen von Abgaskomponenten zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass zumindest in einem Teillastbetriebsbereich mit geringer Motorlast die Temperatur (T) des Abgases und/oder einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung gemessen und - wenn die gemessene Temperatur (T) unterhalb einer definierten Schwelltemperatur (TS) von vorzugsweise 250° C, besonders vorzugsweise weniger 200° C liegt - zumindest ein erster Aufheizmodus (1) gestartet wird, wobei der Auslassöffnungsbeginn (EVO) zumindest eines Auslassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes (MEP) der Brennkraftmaschine - bezogen auf einen Standard-Auslassbeginn (EVOS) im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh verschoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von abgasführenden Komponenten im Abgasstrang einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine.
Es sind einige Verfahren bekannt, um bei einer Dieselbrennkraftmaschine ein Ansteigen der Abgastemperatur für ein rasches Anspringen eines im Abgasstrang angeordneten Katalysators zu erreichen, oder um ein Absinken der Abgastemperatur unterhalb einer für die Abgasnachbehandlung erforderlichen Mindestbetriebstemperatur zu verhindern. Diese Verfahren basieren auf verspäteter Verbrennung, ungekühlte externe Abgasrückführung und/oder Drosselung der Ansaugströmung. Nachteilig ist, dass die bekannten Verfahren nur beschränktes Potential zur Erhöhung der Abgastemperaturen aufweisen oder dass sich wesentliche Verschlechterungen im Kraftstoffverbrauch ergeben.
Die DE 10 2007 041 326 Al beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine. Zur Erzeugung einer Drallströmung in der zugeführten Verbrennungsluft wird wenigstens ein erster Einlasskanal mindestens eines Arbeitszylinders mittels einer Drallklappe verschlossen, wobei innerhalb eines Arbeitszyklus ein Einlassventil mit Drallklappe später geschlossen wird, als ein Einlassventil ohne Drallklappe.
Die WO 2010/043 910 Al offenbart ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine mit zwei Auslassventilen pro Zylinder, wobei die beiden Auslassventile unterschiedliche Öffnungszeitpunkte aufweisen. Von den ersten Auslassventilen führen erste Abgaskanäle zu einer Abgasturbine. Die von den zweiten Auslassventilen ausgehenden zweiten Abgaskanäle umgehen die Abgasturbine. Die zu der Abgasturbine führenden ersten Auslassventile werden um etwa 80° Kurbelwinkel vor den zweiten Auslassventilen geöffnet. Dadurch steht der Abgasturbine eine höhere Abgasenergie zur Verfügung, wobei Pumpverluste verringert werden können.
Aus der EP 2 048 331 Bl ist es bekannt, durch Verwenden zweier verstellbarer Nockenwellen für zwei Einlass- und zwei Auslassventile pro Zylinder einen sogenannten Millerzyklus zu simulieren, wobei frühes, als auch spätes Einlassschließen und frühes Auslassöffnen möglich sind. Insbesondere wird vorgeschlagen durch ein Frühschieben des Auslassöffnungszeitpunktes ein Aufheizen eines Abgaskatalysators nach einem Kaltstart zu unterstützen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und auf einfache und effektive Weise ein rasches Anheben der Temperaturen von Abgaskomponenten - ohne eine wesentliche Verschlechterung des Kraftstoffverbrauches - zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die dadurch erreicht, dass zumindest in einem Teillastbetriebsbereich mit geringer Motorlast die Temperatur des Abgases und/oder einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung gemessen oder auf andere Weise bestimmt und - wenn die gemessene oder auf andere Weise bestimmte Temperatur unterhalb einer definierten Schwelltemperatur von vorzugsweise 250° C, besonders vorzugsweise weniger 200° C liegt - zumindest ein erster Aufheizmodus gestartet wird, wobei der Auslassbeginn zumindest eines Auslassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes der Brennkraftmaschine - bezogen auf einen Standard-Auslassbeginn im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh verschoben wird.
Hierbei kann im Sinne der Erfindung grundsätzlich sowohl die Temperatur des Abgases als auch die Temperatur einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung gemessen oder auf andere Weise, beispielsweise durch ein in die Motorsteuerungseinrichtung integriertes Modell, bestimmt werden.
Das Vorverstellen des Auslassbeginnes ermöglicht ein besonders rasches und hohes Ansteigen der Abgastemperatur.
Vorzugsweise wird dabei der Auslassbeginn - betrachtet bei 0 mm Ventilhub - auf 60°Kurbelwinkel oder weniger und/oder - betrachtet bei 1 mm Ventilhub - auf 80°Kurbelwinkel oder weniger nach dem oberen Totpunkt der Zündung vorverlegt.
Im Teillastbetriebsbereich können die Abgase an zumindest einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine vorbeigeleitet werden, wobei vorzugsweise ein Überströmventil (Waste Gate) in einer Turbinenumgehungsleitung geöffnet wird.
Der Standard-Auslassbeginn im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine liegt beispielsweise betrachtet bei 1 mm Ventilhub - bei etwa 170° ±10° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt der Zündung.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig und/oder nach dem ersten Aufheizmodus im Teillastbereich ein zweiter Aufheizmodus durchgeführt wird, wenn die gemessene Temperatur unterhalb der definierten Schwelltemperatur liegt, wobei der Einlassschluss zumindest eines Einlassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes der Brennkraftmaschine - bezogen auf einen Standard-Einlassschluss im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh oder spät verschoben wird. Vorteilhafter Weise wird der Einlassschluss - betrachtet bei 1 mm Ventilhub - um mindestens 70° Kurbelwinkel nach früh oder spät verschoben.
Der Standard-Einlassschluss im Volllastbetriebsbereich kann bei betriebswarmer Brennkraftmaschine betrachtet bei 1 mm Ventilhub - bei etwa 540° ±10° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt der Zündung liegen.
Die Verschiebung des Einlassschlusses nach früh oder spät ermöglicht ein moderates Anheben der Abgastemperatur oder ein Beibehalten einer bereits angehobenen Abgastemperatur. In Kombination mit dem Vorverlegen des Auslassbeginnes kann eine besonders effektive Steigerung der Abgastemperatur erreicht werden.
Besonders vorteilhaft eignet sich das Verfahren, um nach einem Kaltstart ein rasches Ansprechen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen zu ermöglichen.
Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn bei einem Kaltstart die Brennkraftmaschine im Teillastbetriebsbereich im Aufheizmodus zuerst - vorzugsweise für eine definierte Zeitdauer - mit vorverlegtem Auslassbeginn, vorzugsweise auch mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss betrieben wird, und dann die Brennkraftmaschine weiter mit Standardauslassbeginn und mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss betrieben wird.
Weiters lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders effektiv zur Regenerierung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise eines Partikelfilters, einsetzen. Zur Regeneration einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, vorzugsweise eines Partikelfilters, kann die
Brennkraftmaschine im Aufheizmodus betrieben werden, wobei die Brennkraftmaschine mit vorverlegtem Auslassbeginn und mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss betrieben wird.
Der erste Aufheizmodus wird - insbesondere isoliert, also ohne zweiten Aufheizmodus - vorzugsweise nur durchgeführt, wenn die Kühlmitteltemperatur maximal etwa 80° C und die - vorzugsweise durch die Einspritzmenge charakterisierte - Motorlast maximal ein Drittel der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl beträgt und die Drehzahl maximal ein Drittel der Nenndrehzahl beträgt.
Der zweite Aufheizmodus wird - insbesondere isoliert, also ohne ersten Aufheizmodus - vorzugsweise nur durchgeführt, wenn die -vorzugsweise durch die Einspritzmenge charakterisierte - Motorlast maximal zwei Drittel der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl beträgt und die Drehzahl maximal die halbe Nenndrehzahl beträgt (Schwachlastbereich). Dieser zweite Aufheizmodus kann zum Katalysatorheizen verwendet werden, wenn die Katalysatortemperatur unterhalb eines Schwellwertes von 250° C sinkt.
Der erste und zweite Aufheizmodus werden in Kombination vorzugsweise nur durchgeführt, wenn die Kühlmitteltemperatur maximal etwa 80° C und die -vorzugsweise durch die Einspritzmenge charakterisierte - Motorlast maximal 15% der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl beträgt und die Drehzahl maximal ein Viertel der Nenndrehzahl beträgt.
Der Aufheizmodus wird im allgemeinen beendet, wenn die gemessene Temperatur einen definierten Sollwert überschreitet und/oder eine definierte Aufheizzeitdauer abgelaufen ist und/oder der Teillastbetrieb beendet wird.
Nach einem Motorstart kann der erste Aufheizmodus - vorzugsweise kombiniert mit dem zweiten Aufheizmodus - für maximal etwa 30 Sekunden - besonders vorzugsweise für maximal etwa 15 Sekunden - durchgeführt werden. Dies gewährleistet eine signifikante Erhöhung des Abgasenthalpiestromes ohne die Nachteile einer exzessiven Spätstellung der Verbrennung.
Der Auslassschließzeitpunkt und der Einlassöffnungszeitpunkt sind bevorzugt in jedem Betriebsbereich gleich. Somit bleibt die Ventilüberschneidung in jedem
Betriebsbereich konstant und auf einem optimalen Wert. Durch den konstanten Auslassschluss und den konstanten Einlassbeginn wird eine unerwünschte Restgasverdichtung vermieden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ventilerhebungsdiagramm,
Fig. la bis ld Beispiele für verlängerte Ventilöffnungsdauern,
Fig. 2 die Abgastemperatur in Abhängigkeit des Auslassventilöffnungszeitpunktes für eine erste erfindungsgemäße Ausführungsvariante,
Fig. 3 die Abgastemperatur in Abhängigkeit des Einlassventilschließzeitpunktes für eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsvariante,
Fig. 4 die Abgastemperatur in Abhängigkeit des Einlassventilschließzeitpunktes für eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsvariante ,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur für ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren und
Fig. 6 ein Motorkennfeld mit eingezeichneten Betriebsbereichen.
Fig. 1 zeigt die Ventilerhebungen hA, hE der Auslassventile und der Einlassventile, über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen, für eine Diesel-Brennkraftmaschine, welche beispielsweise zwei Auslassventile und ein oder zwei Einlassventile pro Zylinder aufweist. Die Steuerzeit zumindest eines Auslassventils und/oder eines Einlassventils ist veränderbar. Die strichlierten Kurven zeigen die Standard-Ventilerhebungen für Auslassventile und Einlassventile (Standard-Auslassteuerzeiten bzw. Standard-Einlasssteuerzeiten), die voll ausgezogenen Kurven zeigen die Ventilerhebungen während des Aufheizmodus, wobei die Auslassventilöffnungsdauer und/oder die Einlassventilöffnungsdauer im Vergleich zu den Standardöffnungs- bzw. - Schließzeiten deutlich verlängert ist.
Die voll ausgezogene Auslasshubkurve hE in Fig. 1 weist einen extrem frühen Auslassbeginn EVO auf: ein effektives Öffnen findet - betrachtet bei 1 mm
Auslassventilhub hE - vor 80° Kurbelwinkel KW nach dem oberen Totpunkt der Zündung ZOT statt, jedenfalls bevor der Kolben seine Mittenposition im Abwärtshub erreicht hat.
Die voll ausgezogene Einlasshubkurve weist einen extrem späten Einlassschluss auf: ein effektives Schließen findet nach 100° Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt der Zündung ZOT - betrachtet bei 1 mm Einlassventilhub hi - statt, jedenfalls nachdem der Kolben seine Mittenposition im Aufwärtshub erreicht hat.
Dabei kann die Auslassöffnungszeit eines oder beider Auslassventile bzw. die Einlassschließzeit eines oder beider Einlassventile verstellt werden. Die Fig. la, lb, lc, ld zeigen verschieden Kombinationsmöglichkeiten für eine verlängerte Ventilöffnungsdauer, beispielsweise der Auslassventilöffnungsdauer.
Fig. la zeigt eine Variante bei der die Auslassventilerhebungskurve hE eines Auslassventils, beispielsweise durch Verdrehen der entsprechenden Nockenwelle nach vor verschoben ist, wobei sich die Auslassventilerhebungskurven des ersten und des zweiten Auslassventils überschneiden. Somit wird die Gesamtöffnungsdauer verlängert.
In Fig. lb ist nur der Auslassöffnungszeitpunkt EVO des ersten Auslassventils vorverlegt. Das Schließen des ersten Auslassventils erfolgt gleichzeitig mit dem Schließen des zweiten Auslassventils.
Fig. lc zeigt eine Variante, bei der die Steuerzeiten beider Auslassventile synchron verstellt werden.
Fig. ld wiederum zeigt eine Variante mit einem Auslassventil, dessen Öffnungszeit für den Aufheizmodus vorverlegt ist.
Die Varianten lb bis ld eignen sich besonders für elektromagnetisch betätigte Hubventile.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zumindest in einem Teillastbetriebsbereich der Brennkraftmaschine mit geringer Motorlast die Temperatur T des Abgases und/oder einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung gemessen und - wenn die gemessene
Temperatur unterhalb einer definierten Schwelltemperatur Ts von vorzugsweise 250° C, besonders vorzugsweise weniger 200° C liegt - zumindest ein erster Aufheizmodus 1 gestartet wird.
Im ersten Aufheizmodus 1 wird der Auslassbeginn EVO zumindest eines Auslassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes MEP der Brennkraftmaschine - bezogen auf einen Standard-Auslassbeginn EVOs im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh verschoben. Dabei wird der Auslassbeginn EVO - betrachtet bei 0 mm Auslassventilhub hE - auf 60°Kurbelwinkel KW oder weniger und/oder - betrachtet bei 1 mm Auslassventilhub hE - auf 80°Kurbelwinkel KW nach dem oberen Totpunkt der Zündung ZOT oder weniger vorverlegt. Im Teillastbetriebsbereich werden die Abgase an zumindest einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine vorbeigeleitet, indem ein Überströmventil (Waste Gate) in einer Turbinenumgehungsleitung geöffnet wird.
Die Standard-Auslasssteuerzeit EVOs im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - betrachtet bei 0 mm Auslassventilhub hE - liegt etwa bei 150°±10° Kurbelwinkel KW und/oder - betrachtet bei 1 mm Auslassventilhub hE -bei etwa 170° ±10° Kurbelwinkel KW nach dem oberen Totpunkt der Zündung ZOT.
In einem zweiten Aufheizmodus 2 im Teillastbereich der Brennkraftmaschine kann der Einlassschluss IVC zumindest eines Einlassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes MEP der Brennkraftmaschine - bezogen auf einen Standard-Einlassschluss IVCS im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh oder spät verschoben werden, wenn die gemessene Temperatur T weniger als 250° C, vorzugsweise weniger als 200° C, beträgt. Dabei wird der Einlassschluss IVC um mindestens 70° Kurbelwinkel KW - bezogen auf einen Standard-Einlassschluss IVCS im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh oder spät verschoben.
Der Standard-Einlassschluss IVCS im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine liegt beispielsweise - betrachtet bei 0 mm Einlassventilhub -bei etwa 520°±10° Kurbelwinkel KW und/oder -betrachtet bei 1 mm Einlassventilhub hr bei etwa 540° ±10° Kurbelwinkel KW nach dem oberen Totpunkt der Zündung ZOT.
Der erste und/oder zweite Aufheizmodus 1, 2 kann beispielsweise während eines Kaltstarts oder zur Regeneration einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eingesetzt werden.
Bei einem Kaltstart wird die Brennkraftmaschine im Teillastbetriebsbereich im ersten Aufheizmodus 1 zuerst, vorzugsweise für eine definierte Zeitdauer ti, mit vorverlegtem Auslassbeginn EVO, betrieben. Gleichzeitig kann die Brennkraftmaschine auch im zweiten Aufheizmodus 2 mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss IVC betrieben werden. Nach Ende der definierten Zeitdauer ti, oder wenn das Abgas oder die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine vordefinierte Temperatur, beispielsweise die Schwelltemperatur Ts von beispielsweise 250° C erreicht hat, kann der erste Aufheizmodus 1 beendet und die Brennkraftmaschine mit dem Standardauslassbeginn EVOs betrieben werden. Der zweite Aufheizmodus 2 kann zumindest eine bestimmte Zeit t2 lang beibehalten werden, da ein nach früh oder spät verschobener Einlassschluss IVC hilft das hohe Temperaturniveau im Abgas zu halten.
Auch zur Durchführung einer Regeneration einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise eines Partikelfilters, kann die Brennkraftmaschine in zumindest einem Aufheizmodus 1, 2 betrieben werden, wobei die Brennkraftmaschine mit vorverlegtem Auslassbeginn EVO und mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss IVC betrieben wird.
In jedem Fall können die Aufheizmodi 1, 2 beendet werden, wenn die gemessene Temperatur einen definierten Schwellwert Ts überschreitet und/oder wenn eine definierte Aufheizzeitdauer ti, t2 abgelaufen ist und/oder wenn der Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine beendet wird.
Der Auslassschluss EVC und der Einlassbeginn IVO wird in jedem Betriebsbereich beibehalten und entspricht dem Standardwert - die Ventilüberschneidung der Auslassventile und Einlassventile bleibt somit in jedem Aufheizmodus 1, 2, als auch im Standardmodus mit den Standardsteuerzeiten unverändert.
Fig. 2 zeigt die Wirkung des ersten Aufheizmodus 1 mit vorverlegtem Auslassbeginn EVO für unterschiedliche Mitteldrücke MEP=2 bar, MEP=5 bar und MEP=7 bar, wobei jeweils einerseits der Abgaswärmestrom als Produkt der Abgasmenge m und der Abgastemperatur T, und andererseits die Abgastemperatur T selbst und über dem Auslassbeginn EVO (bei 1 mm Auslassventilhub) aufgetragen ist. Die voll ausgezogenen Linien beziehen sich dabei auf den Eintritt, die strichlierten Linien auf den Austritt der Abgasturbine. Deutlich ist zu ersehen, dass bei einem Auslassbeginn EVO bei 80° Kurbelwinkel KW - betrachtet bei 1 mm Auslassventilhub hE - und weniger ein deutlicher Anstieg der Abgaswärme bei geringen Mitteldrücken MEP festzustellen ist. MitTs ist die Schwelltemperatur des Abgases bzw. der Abgasnachbehandlungseinrichtung eingetragen, welche als Entscheidungskriterium zur Durchführung des Aufheizmodus 1 herangezogen wird.
Fig. 3 zeigt die Wirkung des zweiten Aufheizmodus 2 mit verschobenem Einlassschluss IVC für unterschiedliche Mitteldrücke MEP=2 bar und MEP=5 bar, wobei jeweils einerseits der Abgaswärmestrom als Produkt der Abgasmenge m und der Abgastemperatur T, und andererseits die Abgastemperatur T selbst und über dem Einlassschluss IVC (bei 1 mm Ventilhub) aufgetragen ist. Weiters ist die Drallzahl D für die Einlassströmung im Brennraum eingezeichnet. Die voll ausgezogenen Linien beziehen sich dabei auf den Eintritt, die strichlierten Linien auf den Austritt der Abgasturbine. Deutlich ist zu ersehen, dass bei einem gegenüber dem Standardeinlassschluss IVCS um etwa 90° Kurbelwinkel KW verfrühtem oder verspätetem Einlassschluss IVC ein deutlicher Anstieg der Abgaswärme bei geringen Mitteldrücken MEP festzustellen ist, wodurch die Temperatur T des Abgases bzw. der Abgasnachbehandlungseinrichtung über die Schwelltemperatur Ts von 250° erhöht werden kann.
Fig. 4 zeigt den Effekt einer Kombination eines einen vorverlegten Auslassbeginn EVO aufweisenden ersten Aufheizmodus 1 mit einem einen verschobenen Einlassschluss IVC aufweisenden zweiten Aufheizmodus 2. Dabei ist für einen Mitteldruck MEP=2 bar einerseits der Abgaswärmestrom als Produkt der Abgasmenge m und der Abgastemperatur T, und andererseits die Abgastemperatur T selbst über dem Einlassschluss (bei 1 mm Ventilhub), für den Standardauslassbeginn EVOS=170° und für unterschiedlich vorverlegte Auslassbeginne EVO=70° KW und EVO=90° KW (bei 1 mm Auslassventilhub hE) für den Austritt der Abgasturbine dargestellt. Weiters ist die Drallzahl D für die Einlassströmung im Brennraum eingezeichnet. Es zeigt sich, dass durch kombinierte Aufheizmodi 1, 2 eine deutliche Verstärkung der Effekte beobachtet werden kann, wenn zusätzlich zum späten Einlassschluss IVC ein früher Auslassbeginn EVO eingestellt wird.
Fig. 5 zeigt einen Aufheizzyklus für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, wobei die Abgastemperatur T über der Zeit t ab dem Zeitpunkt 0 des Kaltstarts aufgetragen ist. Dabei werden verschiedene Aufheizmodi 1, 2 gleichzeitig oder zeitlich hintereinander durchgeführt. In einer ersten Phase I, welche sich beispielsweise über einen Zeitraum ti von etwa 0 bis 30 Sekunden erstreckt, wird die Brennkraftmaschine im ersten Aufheizmodus 1 mit vorverschobenem Auslassbeginn EVO betrieben. Die erste Phase I findet maximal 30 Sekunden nach dem Motorstart statt, wenn die Kühlmitteltemperatur weniger als 80° C beträgt und die Motorlast (bzw. die Einspritzmenge als Indikator für die Motorlast) unterhalb von 30% der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl n ist und die Drehzahl maximal ein Drittel der Nenndrehzahl beträgt. Vorteil: signifikante Erhöhung des Abgasenthalpiestromes ohne die Nachteile einer exzessiven Spätverstellung der Verbrennung.
Wenn die Motorlast als Einspritzmenge unterhalb von 15% der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl n liegt und die Drehzahl n unter einem Viertel der Nenndrehzahl ist, kann gleichzeitig zum ersten Aufheizmodus 1 der zweite Aufheizmodus 2 durchgeführt werden, indem der Einlassschluss IVC nach spät verschoben wird, wodurch ein sehr effektiver und rascher Temperaturanstieg im Abgas zu verzeichnen ist. Auch hier kommt es zu einer signifikanten Erhöhung des Abgasenthalpiestromes ohne die Nachteile einer exzessiven Spätverstellung der Verbrennung.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist folgt nach einem Kaltstart auf die erste Phase I in einem Schwachlastbereich der Brennkraftmaschine eine zweite Phase II über eine Zeitdauer von 30 bis 200 Sekunden (ab dem Kaltstart), in welcher der zweite Aufheizmodus 2 mit spätverstelltem Einlassschluss IVC durchgeführt wird. Diese zweite Phase II wird durchgeführt, wenn die über einen Sensor oder ein entsprechendes in die Motorsteuerung integriertes thermisches Modell festgestellte Katalysatortemperatur unter den Schwellwert Ts von 250° C sinkt und die durch die Einspritzmenge beispielsweise charakterisierte Motorlast unterhalb von 60 % der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl n und die Drehzahl n unterhalb der Hälfte der Nenndrehzahl liegt. Vorteil: signifikante Erhöhung des Abgasenthalpiestromes ohne die Nachteile einer exzessiven Spätverstellung der Verbrennung und ohne signifikante Erhöhung des Kraftstoffverbrauches.
Dieser zweite Aufheizmodus 2 kann durch mehrere Phasen S unterbrochen werden, in denen die Brennkraftmaschine im Standardbetrieb mit Standardsteuerzeiten der Ein- und Auslassventile betrieben wird. Auch Start/Stopphasen SP der Brennkraftmaschine können dazwischenliegen.
Durch das beschriebene Verfahren kann die Abgastemperatur T signifikant erhöht, bzw. sehr effektiv verhindert werden, dass die Abgastemperatur T unter ein minimales Niveau fällt, werden.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Diesel-Brennkraftmaschine mit variablen Steuerzeiten, was durch Hubumschaltung/ elektrohydraulischen Ventiltrieb oder elektromagnetischen Ventiltrieb realisiert werden kann. Wenn bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlassventilen pro Zylinder nur ein Einlassventil angesteuert wird, kann durch den generierten Drall eine separate Drallklappe entfallen. Bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Auslassventilen pro Zylinder kann durch Ansteuerung nur eines Auslassventils die für den Wärmeübergang relevante Fläche im Auslasskanal um die Hälfte reduziert werden.
Prinzipiell lassen sich mit den variablen Steuerzeiten also folgende Betriebsweisen durchführen: a) Kombination von Standard-Auslasskurve und Standard-Einlasskurve: Standardbetrieb (Bezugszeichen a in Fig. 1). b) Kombination von Auslasskurve mit extrem frühen Auslassbeginn EVO und einer Standard-Einlasshubkurve (Bezugszeichen b in Fig. 1): zum Beispiel zum Katalysatorheizen
In diesem Motorbetrieb wird vermieden, den Einspritzzeitpunkt gegenüber dem Normalbetrieb zu verspäten und es werden die damit verbundenen Probleme, wie Schmierölverdünnung, vermieden. c) Kombination von Standard-Auslasshubkurve und Einlass-Hubkurve mit extrem späten Einlassschluss IVC (Bezugzseichen c in Fig. 1).: Warmhalte-Modus
In diesem Motorbetrieb wird vermieden, den Einspritzzeitpunkt gegenüber dem Normalbetrieb zu verspäten und es werden die damit verbundenen Probleme, wie Schmierölverdünnung, vermieden. d) Kombination Auslasshubkurve mit extrem frühen Auslassbeginn EVO und Einlass-Hubkurve mit extrem spätem Einlassschluss IVC (Bezugszeichen d in Fig. 1).: Extremheizmaßnahme
Fig. 6 zeigt ein Motorkennfeld, wobei schematisch der Mitteldruck MEP der Brennkraftmaschine über der Drehzahl n dargestellt ist. Die Leerlaufdrehzahl ist mit nO bezeichnet. Im Motorkennfeld sind die Betriebsbereiche für die oben genannten Betriebsweisen eingezeichnet. Hierbei liegt der Betriebsbereich d vollständig innerhalb des Betriebsbereichs b und dieser wiederum vollständig innerhalb des Betriebsbereichs c. Alle drei Betriebsbereiche liegen innerhalb des Betriebsbereichs a.

Claims (15)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Erwärmen von abgasführenden Komponenten im Abgasstrang einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teillastbetriebsbereich mit geringer Motorlast die Temperatur (T) des Abgases und/oder einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung gemessen oder auf andere Weise bestimmt und - wenn die gemessene oder auf andere Weise bestimmte Temperatur (T) unterhalb einer definierten Schwelltemperatur (Ts) von vorzugsweise 250° C, besonders vorzugsweise weniger 200° C liegt -zumindest ein erster Aufheizmodus (1) gestartet wird, wobei der Auslassöffnungsbeginn (EVO) zumindest eines Auslassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes (MEP) der Brennkraftmaschine - bezogen auf einen Standard-Auslassbeginn (EVOs) im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh verschoben wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassbeginn (EVO) - betrachtet bei mit 1 mm Auslassventilhub (hE) - auf 80°Kurbelwinkel (KW) nach dem oberen Totpunkt der Zündung (ZOT) oder weniger vorverlegt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetriebsbereich die Abgas an zumindest einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine vorbeigeleitet wird, wobei vorzugsweise ein Überströmventil in einer Turbinenumgehungsleitung geöffnet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Standard-Auslassbeginn (EVOs) im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine -betrachtet bei mit 1 mm Auslassventilhub (hE) - bei etwa 170° ±10° Kurbelwinkel (KW) nach dem oberen Totpunkt der Zündung (ZOT) liegt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig und/oder nach dem ersten Aufheizmodus (1) im Teillastbereich ein zweiter Aufheizmodus (2) durchgeführt wird, wenn die gemessene Temperatur (T) unterhalb der definierten Schwelltemperatur (Ts) liegt, wobei der Einlassschluss (IVC) zumindest eines Einlassventils in Abhängigkeit des ermittelten Mitteldruckes (MEP) der Brennkraftmaschine -bezogen auf einen Standard-Einlassschluss (IVCS) im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine - nach früh oder spät verschoben wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassschluss (IVC) um mindestens 70° Kurbelwinkel (KW) nach früh oder spät verschoben wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Standard-Einlassschluss (IVCS) im Volllastbetriebsbereich bei betriebswarmer Brennkraftmaschine betrachtet bei 1 mm Einlassventilhub (hj - bei etwa 540° ±10° Kurbelwinkel (KW) nach dem oberen Totpunkt der Zündung (ZOT) liegt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart die Brennkraftmaschine im Teillastbetriebsbereich, in einer ersten Phase (I) - vorzugsweise für eine definierte Zeitdauer (ti) -zumindest im ersten Aufheizmodus (1) mit vorverlegtem Auslassbeginn (EVO), und in zumindest einer auf die erste Phase (I) folgenden zweiten Phase (II) im zweiten Aufheizmodus (2) mit Standardauslassbeginn (EVOs) und mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss (IVC) betrieben wird, wobei vorzugsweise auch während der ersten Phase (I) der zweite Aufheizmodus (2) mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss (IVC) aktiviert wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, vorzugsweise eines Partikelfilters, die Brennkraftmaschine im ersten Aufheizmodus (1) mit vorverlegtem Auslassbeginn (EVO) betrieben wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig der zweite Aufheizmodus (2) mit nach früh oder spät verschobenem Einlassschluss (IVC) aktiviert wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Aufheizmodus (1, 2) beendet wird, wenn die gemessene oder auf andere Weise bestimmte Temperatur (T) den definierten Schwellwert (Ts) überschreitet und/oder eine definierte Aufheizzeitdauer (ti, t2) abgelaufen ist und/oder der Teillastbetrieb beendet wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aufheizmodus (1) nur durchgeführt wird, wenn eine Kühlmitteltemperatur maximal etwa 80° C und die vorzugsweise durch die Einspritzmenge charakterisierte Motorlast maximal ein Drittel der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl (n) beträgt und die Drehzahl (n) maximal ein Drittel der Nenndrehzahl beträgt.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aufheizmodus (2) nur durchgeführt wird, wenn die vorzugsweise durch die Einspritzmenge charakterisierte Motorlast maximal zwei Drittel der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl (n) beträgt und die Drehzahl (n) maximal die halbe Nenndrehzahl beträgt.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Aufheizmodus (1, 2) in Kombination nur durchgeführt werden, wenn die Kühlmitteltemperatur maximal etwa 80° C und die vorzugsweise durch die Einspritzmenge charakterisierte Motorlast maximal 15% der Volllastmenge bei der momentanen Drehzahl (n) beträgt und die Drehzahl (n) maximal ein Viertel der Nenndrehzahl beträgt.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aufheizmodus (1) - vorzugsweise kombiniert mit dem zweiten Aufheizmodus (2) - nach dem Motorstart für maximal etwa 30 Sekunden -besonders vorzugsweise für maximal etwa 15 Sekunden - durchgeführt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassschluss (EVC) und der Einlassbeginn (IVO) in jedem Betriebsbereich gleich sind. 2014 04 01 Fu
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