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Die
Erfindung geht von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
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Aus „Bosch,
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23., aktualisierte und erweiterte
Auflage, Braunschweig, Wiesbaden, Vieweg 1999" ist es bereits bekannt, dass in einer
Auslassbetriebsphase der Brennkraftmaschine zum Auslassen von durch Verbrennung
entstandenem Abgas aus einem Brennraum in einen Abgasstrang der
Brennkraftmaschine ein Auslassventil des Brennraums der Brennkraftmaschine
geöffnet
wird. Der Brennraum ist dabei durch einen Zylinder gebildet.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
demgegenüber
den Vorteil, dass das Auslassventil in dieser Auslassbetriebsphase
wieder geschlossen und erneut geöffnet
wird. Auf diese Weise lässt
sich Rest- bzw. Abgas aus dem Brennraum sehr effizient ausspülen, wodurch
die Klopfneigung der Brennkraftmaschine reduziert wird. Außerdem lässt sich
auf diese Weise das Rest- bzw. Abgas nahezu vollständig durch
Frischluft über
die Luftzufuhr ersetzen, so dass sich eine höhere Füllung des Brennraums ergibt.
Im Falle der Verwendung eines Abgasturboladers lässt sich durch den mehrfachen
Auslassstoß außerdem eine
Turbinenleistung erhöhen
und damit ein hö herer
Ladedruck des Verdichters des Abgasturboladers einstellen. Somit
lässt sich
ein höheres
Drehmoment der Brennkraftmaschine realisieren.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Auslassventil in der Auslassbetriebsphase
nur dann mehrfach geöffnet
wird, wenn eine Ausgangsgröße, vorzugsweise
die Motordrehzahl, einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Auf diese Weise lässt
sich das Ansprechverhalten des ggf. vorhandenen Abgasturboladers
aufgrund der zusätzlichen
Turbinenleistung besonders in einem unteren Drehzahlbereich verbessern
und damit das sonst in diesem Drehzahlbereich vorherrschende Turboloch
vermeiden.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Auslassventil in der Auslassbetriebsphase
nur dann mehrfach geöffnet
wird, wenn ein Wert für
die Last der Brennkraftmaschine, vorzugsweise ein Fahrerwunschmoment,
einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das durch den mehrfachen
Auslassstoß erhöhte Drehmoment
bei hoher Last zur Verfügung
steht. Wird diese Maßnahme
damit kombiniert, dass die mehrfache Öffnung des Auslassventils in
der Auslassbetriebsphase nur in einem unteren Drehzahlbereich durchgeführt wird,
so wird sichergestellt, dass bei geringer Drehzahl und hoher Lastanforderung das
erforderliche Drehmoment möglichst
schnell bereitgestellt werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Auslassventil in der Auslassbetriebsphase
geschlossen wird, wenn ein erster Auslassstoß abgeklungen ist. Nach Abklingen
des ersten Auslassstoßes
kann somit das restliche im Brennraum befindliche Abgas beispielsweise
durch den Zylinderkolben verdichtet werden, um bei anschließendem Wiederöffnen des Auslassventils
in derselben Auslassbetriebsphase das restliche Abgas mit hoher
Dynamik aus dem Brennraum in den Abgasstrang auszustoßen, um
somit besonders einfach die höhere
Füllung,
die Reduzierung der Klopfneigung und bei Vorhandensein eines Abgasturboladers
ein höherer
Ladedruck und damit letztlich ein höheres Drehmoment zu erzielen.
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Das
Abklingen des ersten Auslassstoßes kann
besonders einfach abhängig
von einem Abgasgegendruck oder einem Brennrauminnendruck festgestellt
werden.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine, 2 eine
Ventilsteuerung mittels Nockenwelle, 3 ein Blockschaltbild
für die
Ansteuerung eines Auslassventils der Brennkraftmaschine und 4 ein
Diagramm zur Darstellung des Hubes von Einlass- und Auslassventil
der Brennkraftmaschine über dem
Kurbelwellenwinkel.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 kennzeichnet 1 eine
Brennkraftmaschine, die beispielsweise ein Fahrzeug antreiben kann.
Die Brennkraftmaschine 1 kann beispielsweise als Ottomotor
oder als Dieselmotor ausgebildet sein. Im Folgenden wird beispielhaft
angenommen, dass die Brennkraftmaschine 1 als Ottomotor
ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst mindestens
einen Zylinder 110. Im Folgenden soll beispielhaft der Einfachheit
halber von einer Brennkraftmaschine 1 mit einem einzigen
Zylinder ausgegangen werden. Dem Zylinder 110 wird über eine
Luftzufuhr 45 Frischluft zugeführt. Die Strömungsrichtung
der Frischluft ist in 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet.
In der Luftzufuhr 45 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 ein
Verdichter 50 eines Abgasturboladers angeordnet. Der Abgasturbolader
ist dabei für
die Funktion der Erfindung nicht unbedingt erforderlich, jedoch
wirkt sich die Erfindung besonders vorteilhaft auf den Betrieb der
Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader aus. In
Strömungsrichtung
der Frischluft dem Verdichter 50 nachfolgend ist in der
Luftzufuhr 45 eine Drosselklappe 55 angeordnet,
die von einer Motorsteuerung 35 zur Einstellung eines vorgegebenen Öffnungsgrades
angesteuert wird. Dabei kann der einzustellende Öffnungsgrad der Drosselklappe 55 von
der Motorsteuerung 35 in Abhängigkeit eines Betätigungsgrades
eines Fahrpedals durch den Fahrer des Fahrzeugs vorgegeben sein.
Zu diesem Zweck ist ein den Betätigungsgrad des
Fahrpedals erfassendes Fahrpedalmodul 115 vorgesehen, das
den Betätigungsgrad
des Fahrpedals an die Motorsteuerung 35 überträgt. Die
Motorsteuerung 35 ermittelt daraus einen Sollwert für eine Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine 1,
beispielsweise ein Drehmoment, eine Leistung oder eine vom Drehmoment
und/oder der Leistung abgeleitete Größe. Im Folgenden soll beispielhaft
angenommen werden, dass es sich bei dieser Ausgangsgröße um ein
Drehmoment handelt. Somit ermittelt die Motorsteuerung 35 aus
dem Betätigungsgrad
des Fahrpedals ein Fahrerwunschmoment und steuert die Drosselklappe 55 entsprechend
dem einzustellenden Fahrerwunschmoment an. Über ein Einlassventil 60 wird
die Frischluft dann schließlich
einem Brennraum 5 des Zylinders 110 zugeführt. Gemäß 1 wird
dabei auch das Einlassventil 60 von der Motorsteuerung 35 zur
Einstellung vorgegebener Öffnungs-
und Schließzeiten
angesteuert, um beispielsweise einen Viertakt-Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wie
er aus „Bosch
kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, 1999" bekannt ist. Die Öffnungs- und Schließzeiten
des Einlassventils 60 können
auch über
eine Nockenwelle in dem Fachmann bekannter Weise eingestellt werden.
Gemäß 1 wird
dem Brennraum 5 über
ein Einspritzventil 65 direkt Kraftstoff zugeführt. Alternativ
kann der Kraftstoff über
ein entsprechendes Einspritzventil auch der Luftzufuhr 45 in
Strömungsrichtung
vor oder nach der Drosselklappe 55 zugeführt werden.
Das Einspritzventil 65 wird ebenfalls von der Motorsteuerung 35 zur
Einstellung einer vorgegebenen Einspritzzeit und damit einer vorgegebenen
zuzuführenden
Kraftstoffmenge angesteuert. Dabei kann die Kraftstoffmenge in dem Fachmann
bekannter Weise derart vorgegeben werden, dass sich ein vorgegebenes
Luft-/Kraftstoffgemischverhältnis
im Brennraum 5 ergibt. Das im Brennraum 5 befindliche
Luft-/Kraftstoffgemisch wird über
eine Zündkerze 70 gezündet, die
ebenfalls von der Motorsteuerung 35 angesteuert wird. Die
Ansteuerung der Zündkerze 70 dient
der Einstellung eines geeigneten Zündzeitpunktes, beispielsweise
um einen in einem Abgasstrang 10 der Brennkraftmaschine
angeordneten Katalysator, der in 1 nicht
dargestellt ist, zu heizen, oder um eine Momentenreserve aufzubauen
oder dergleichen. Durch die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches
im Brennraum 5 wird ein Kolben 20 des Zylinders 110 angetrieben, der
wiederum in nicht dargestellter Weise eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 antreibt.
Ein Kurbelwellensensor 75 im Bereich des Zylinders 110 erfasst
die Position der Kurbelwelle und gibt den ermittelten aktuellen
Kurbelwellenwinkel an die Motorsteuerung 35 weiter. Ferner
ist ein Auslassventil 15 vorgesehen, das in einer Auslassbetriebsphase
der Brennkraftmaschine 1 geöffnet wird, um das bei der Verbrennung
des Luft-/Kraftstoffgemisches im Brennraum 5 entstandene
Abgas in den Abgasstrang 10 auszustoßen. Das Auslassventil 15 wird
dabei ebenfalls direkt von der Motorsteuerung 35 oder über eine
Nockenwelle in dem Fachmann bekannter Weise zur Einstellung vorgegebner Öffnungs-
und Schließzeiten
angesteuert. Die Strömungsrichtung des
Abgases im Abgasstrang 10 ist in 1 ebenfalls
durch Pfeile gekennzeichnet. Im Abgasstrang 10 ist gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
eine Turbine 25 des Abgasturboladers angeordnet, die vom
Abgas angetrieben wird. Über
eine Welle 80 ist die Turbine 25 mit dem Verdichter 50 verbunden,
so dass die Turbinenleistung der Turbine 25 in eine Verdichterleistung
des Verdichters 50 zur Verdichtung der der Brenn kraftmaschine 1 zugeführten Luft
umgesetzt werden kann. Die Turbinenleistung kann mittels einer variablen
Turbinengeometrie oder durch einen die Turbine 25 umgehenden
Bypass des Abgasstranges in nicht dargestellter Weise beeinflusst
werden, wobei die Turbinengeometrie bzw. ein Öffnungsgrad eines Bypassventils
in dem Bypass um die Turbine 25 von der Motorsteuerung 35 zur
Einstellung eines gewünschten
Ladedruckes angesteuert werden kann. Der gewünschte Ladedruck kann dabei
ebenfalls aus dem umzusetzenden Fahrerwunschmoment in dem Fachmann
bekannter Weise abgeleitet werden.
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In 3 ist
ein Blockschaltbild dargestellt, dass eine Vorrichtung 40 zeigt,
die die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des Auslassventils 15 beeinflusst. Bei dieser Vorrichtung 40 kann
es sich gemäß dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
um die Motorsteuerung 35 handeln, die mittels beispielsweise elektrohydraulischer
oder elektromagnetischer Ventilsteuerung die Öffnungs- und Schließzeiten
des Einlassventils 60 und des Auslassventils 15 beliebig
ansteuern kann. Alternativ kann die Vorrichtung 40 eine Nockenwelle 30 umfassen,
die die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des Auslassventils 15 bestimmt. Im Folgenden wird zunächst die
Verwendung der Nockenwelle 30 zur Einstellung der Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des Auslassventils 15 beschrieben.
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Üblicherweise
wird bei einem Vier-Takt-Verfahren zur Steuerung des Gaswechsels
die mit halber Motordrehzahl drehende Nockenwelle von der Kurbelwelle
angetrieben. Die Nockenwelle öffnet
die für
das Ausschieben der verbrauchten Gase in den Abgasstrang 10 und
das Ansaugen der Frischgase aus der Luftzufuhr 45 separat
ausgelegten Gaswechselventile, also Einlassventil 60 und
Auslassventil 15 gegen die Ventilfedern. In 2 ist
am Beispiel des Auslassventils 15 die im Uhrzeigersinn
drehende Nockenwelle 30 dargestellt, die das Auslassventil 15 gegen
eine Ventilfeder 85 für
das Ausschieben der verbrauchten Gase, also der Abgase in den Abgasstrang 10 öffnet. Dabei
kennzeichnet 120 in 2 eine Wand
des Brennraums 5. In 4 ist die
Abhängigkeit
des Hubes des Einlassventils 60 und des Auslassventils 15 in
Abhängigkeit
des Kurbelwellenwinkels dargestellt. Dabei kennzeichnet 95 einen
Verlauf des Hubes des Auslassventils 15 bei einem herkömmlichen
Profil der Nockenwelle 30. 105 kennzeichnet einen
Verlauf des Hubes des Einlassventils 60 ebenfalls bei herkömmlichem
Nockenprofil. Das Bezugszeichen 100 kennzeichnet den Verlauf
des Hubes des Auslassventils 15 bei einem erfindungsgemäßen Nockenprofil
gemäß 2.
Schraffiert und durch das Bezugszeichen 90 ist in 4 der
Bereich des Hubes des Einlassventils 60 und des Auslassventils 15 dargestellt,
der durch Ventilspiel maximal verloren geht. Zunächst wird der herkömmli che
Verlauf des Hubes 95 des Auslassventils 15 und
der herkömmliche
Verlauf 105 des Hubes des Einlassventils 60 betrachtet.
Kurz, d. h. bis zu etwa 60° Kurbelwellenwinkel
vor einem unteren Totpunkt (UT) des Kolbens 20 öffnet das
Auslassventil 15 gemäß der Hubverlaufskurve 95 und
bei überkritischem
Druckverhältnis
verlassen dann während
der sogenannten Vorauslassphase ca. 50% der Brenngase bzw. der Abgase
den Brennraum 5 in den Abgasstrang 10. Der sich
noch anschließend
nach oben bewegende Kolben 20 sorgt während des Ausschubtaktes für eine nahezu
vollständige
Entfernung der Brenngase aus dem Brennraum 5. Kurz, d.
h. bis zu etwa 80° Kurbelwellenwinkel
vor einem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens 20 öffnet das
Einlassventil 60 gemäß der Hubverlaufskurve 105 bei
zunächst
noch geöffnetem Auslassventil 15.
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Erfindungsgemäß ist es
nun vorgesehen, das Auslassventil 15 nicht gemäß der Hubverlaufskurve 95 sondern
gemäß der Hubverlaufskurve 100 zu öffnen. Dabei
ist es vorgesehen, das Auslassventil 15 während der
Auslassbetriebsphase nach dem Öffnen
wieder zu schließen
und erneut zu öffnen.
Die Auslassbetriebsphase ist beispielsweise durch den Kurbelwellenwinkelbereich
definiert, in dem der Hub des Auslassventils 15 gemäß der herkömmlichen Hubverlaufskurve 95 größer Null
ist. Auf diese Weise lässt
sich eine Mehrfachöffnung
des Auslassventils 15 während
der Auslassbetriebsphase realisieren. Im Folgenden wird beispielhaft
davon ausgegangen, dass das Auslassventil 15 in der Auslassbetriebsphase
zweimal geöffnet
wird. Dabei kann das Auslassventil 15 gemäß der Hubverlaufskurve 100 erstmalig kurz,
d. h. bis etwa 60° Kurbelwellenwinkel,
vor dem unteren Totpunktes des Kolbens 20 geöffnet werden. Die
erstmalige Öffnung
des Auslassventils in der Auslassbetriebsphase kann auch erst mit
oder nach Erreichen des unteren Totpunkt des Kolbens 20 erfolgen.
Im Folgenden wird jedoch beispielhaft angenommen, dass das Auslassventil 15 etwa
30° Kurbelwellenwinkel
vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 20 geöffnet wird.
Etwa beim unteren Totpunkt des Kolbens 20 erreicht dann
das Auslassventil 15 einen ersten Maximalwert r1 – r2 des
Hubes, um dann bei etwa 45° Kurbelwellenwinkel
nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 20 wieder zu schließen. Während dieses
ersten Öffnens
des Auslassventils 15 in der Auslassbetriebsphase wird
die schon beschriebene Vorauslassphase genutzt, bei der etwa 50%
des Abgasmassenanteils mit einem gewissen Restdruck aus den Expansionsverlusten
des vorgehenden Expansionstaktes in den Abgasstrang 10 ausströmen. Danach
wird das Auslassventil 15 bei etwa 45° Kurbelwellenwinkel nach dem
unteren Totpunkt des Kolbens 20 wie beschrieben geschlossen,
so dass nachfolgend eine Nachverdichtung der restlichen Abgasmasse
im Brennraum 5 durch den sich nach oben bewegenden Kolben 20 stattfindet.
Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes, im Beispiel nach 4 etwa 80° Kurbelwellenwinkel
vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 20 wird das Auslassventil 15 dann
erneut geöffnet,
um die nachverdichtete Abgasmasse in Form eines zweiten Auslassstoßes in den
Abgasstrang 10 und dort auf die Turbine 25 zu
führen.
Dabei erreicht während
dieses zweiten Öffnens
des Auslassventils 15 der Hub des Auslassventils 15 bei etwa
40° Kurbelwellenwinkel
vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 20 einen zweiten Maximalwert
r3 – r2,
der wie in 4 dargestellt von dem ersten
Maximalwert r1 – r2
verschieden ist. Dabei ist gemäß dem gewählten Beispiel
der zweite Maximalwert r3 – r2
kleiner als der erste Maximalwert r1 – r2. Die beiden Maximalwerte
könnten
aber auch gleich sein bzw. der zweite Maximalwert r3 – r2 könnte auch
größer als
der erste Maximalwert r1 – r2
sein. Aufgrund der nachverdichteten Abgasmasse ist jedoch ein zweiter
Maximalwert r3 – r2
kleiner dem ersten Maximalwert r1 – r2 ausreichend. Kurz nach
dem oberen Totpunkt des Kolbens 20 wird dann das Auslassventil 15 zum
zweiten Mal während
der Auslassbetriebsphase wieder geschlossen. Somit sind auch die
beiden Öffnungsdauern
des Auslassventils 15 während der
Auslassbetriebsphase etwa gleich groß. Während dem zweiten Öffnen des
Auslassventils 15 in der Auslassbetriebsphase wird die
zuvor während der
Nachverdichtungsphase aufgebrachte zusätzliche Verdichtungsenergie
des Abgases der Turbine 25 zur Verfügung gestellt, welche die höhere Leistung
dann über
den Verdichter 50 in höheren
Ladedruck umsetzt. Unterstützt
kann diese Vorgehensweise durch jeweils sehr schnelle Öffnungsvorgänge des
Auslassventils werden, um die Energie des Abgases möglichst
verlustarm über
das Auslassventil der Turbine zuzuführen. Dabei kann die Öffnungsgeschwindigkeit
des Auslassventils in der Auslassbetriebsphase bei Mehrfachöffnung über der
bei Einfachöffnung
liegen. Zusätzlich
ergibt sich nach dem zweiten Auslassstoß durch die erreichte hohe
Dynamik der Abgassäule
eine Unterdruckphase am Auslassventil 15, welche das noch
im Brennraum 5 des Zylinders 110 befindliche heiße Rest-
bzw. Abgas effizient in den Abgasstrang 10 ausspült und bei
bereits geöffnetem
Einlassventil 60 gemäß der Hubventilkurve 105 dieses
Abgas durch kalte Frischluft ersetzt wird. Dadurch wird die Temperatur
im Brennraum 5 erheblich verringert, wodurch die Klopfneigung
deutlich reduziert wird, und das Abgas nahezu vollständig durch
die Frischluft ersetzt, wodurch eine möglichst große Füllung des Brennraums 5 erzielt
werden kann. Aus alledem resultiert ein höheres Drehmoment.
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Es
kann vorgesehen sein, das zweite Öffnen des Auslassventils 15 bis
zu etwa 90° Kurbelwellenwinkel
vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 20 zu realisieren.
Die angegebenen Werte für
den Kurbelwellenwinkel für
das erste und das zweite Öffnen
des Auslass ventils 15 sind jedoch nur Anhaltspunkte, so dass
das Auslassventil 15 erstmalig auch um mehr als 60° Kurbelwellenwinkel
vor dem unteren Totpunkt und zweitmalig auch um mehr als 90° Kurbelwellenwinkel
vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 20 geöffnet werden
kann.
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Für das erstmalige
Schließen
des Auslassventils 15 in der Auslassbetriebsphase ist es
sinnvoll, das Abklingen des ersten Auslassstoßes, also das Abklingen des
Vorauslassens abzuwarten. Das bedeutet, dass das Auslassventil 15 in
der Auslassbetriebsphase geschlossen wird, wenn der erste Auslassstoß des Abgases
in den Abgasstrang 10 abgeklungen ist. Dabei kann das Abklingen
des ersten Auslassstoßes
abhängig
von einem Abgasgegendruck oder einem Brennrauminnendruck festgestellt werden.
Dabei kann das Abklingen des ersten Auslassstoßes abhängig vom Abgasgegendruck oder dem
Brennrauminnendruck beispielsweise mit Hilfe einer Adaption auf
einem Prüfstand
ermittelt werden. Dabei wird der erste Auslassstoß als abgeklungen betrachtet,
sobald der Abgasgegendruck unter einen vorgegebenen Schwellwert
fällt.
Entsprechend kann der erste Auslassstoß als abgeklungen betrachtet werden,
wenn der Brennrauminnendruck unter einen vorgegebenen Schwellwert
fällt.
Der vorgegebene Schwellwert für
den Abgasgegendruck bzw. für
den Brennrauminnendruck kann dabei so geeignet gewählt werden,
dass sichergestellt wird, dass einerseits der durch den Restdruck
aus der Expansionsphase in den Abgasstrang 10 zu transportierende
Abgasmassenanteil möglichst
vollständig
in den Abgasstrang 10 ausgestoßen wurde und andererseits
noch genügend
Zeit für
die Nachverdichtung des Abgases im Brennraum 5 bei geschlossenem
Auslassventil 15 in der Auslassbetriebsphase bleibt. Der
Abgasgegendruck bzw. der Zylinderinnendruck können durch jeweils einen geeigneten
Drucksensor gemessen oder aus anderen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 in
dem Fachmann bekannter Weise modelliert werden.
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Der
bei der Applikation ermittelte Kurbelwellenwinkel nach dem unteren
Totpunkt des Kolbens 20, bei dem der Abgasgegendruck bzw.
der Brennrauminnendruck den entsprechenden Schwellwert erreicht,
wird dann beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 als Kurbelwellenwinkel
verwendet, bei dem das Auslassventil 15 erstmalig geschlossen
wird.
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Die
Realisierung der Hubverlaufskurve 100 kann durch ein geeignetes
Nockenprofil der Nockenwelle 30 beispielsweise gemäß 2 erreicht
werden. Ausgehend von einem Grundradius r2 vergrößert sich der Radius der Nockenwelle 30 bei
Bewegung im Uhrzeigersinn zunächst
bis zu einem ersten Maximalradius r1, um dann wieder auf den Grundradius
r2 zurückzufallen
und anschließend
auf einen zweiten Maximalradius r3 anzusteigen. Anschließend wird
wieder der Grundradius r2 eingenommen. Drückt die Nockenwelle 30 mit
ihrem Grundradius r2 gegen das Auslassventil 15, so ist
das Auslassventil 15 geschlossen. Sobald die Nockenwelle 30 mit
einem Radius größer dem
Grundradius r2 gegen das Auslassventils 15 drückt, öffnet das
Auslassventil 15 gegen die Kraft der Feder 85.
Dabei wird der erste Maximalwert r1 – r2 für den Hub erreicht, wenn die Nockenwelle 30 mit
ihrem ersten Maximalwert r1 für den
Radius gegen das Auslassventil 15 wie in 2 dargestellt
drückt.
Der zweite Maximalwert r3 – r2 wird
erreicht, wenn die Nockenwelle 30 mit ihrem zweiten Maximalwert
r3 für
den Radius gegen das Auslassventil 15 drückt. Das
Auslassventil 15 ist auch geöffnet, wenn die Nockenwelle 30 mit
einem Radius größer dem
Grundradius r2 und kleiner dem ersten Maximalwert r1 bzw. kleiner
dem zweiten Maximalwert r3 für
den Radius gegen das Auslassventil 15 drückt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein,
dass zwei verschiedene Nockenprofile für die Einstellung des Verlaufes
des Hubes des Auslassventils vorgesehen sind, zwischen denen umgeschaltet
werden kann. Dabei ist ein solches Vorgehen prinzipiell ebenfalls aus
der „Bosch,
kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, 1999" bekannt. Im vorliegenden
Fall ist es dabei vorgesehen, zwischen dem beschriebenen Nockenprofil
für die
Auslassbetriebsphase mit zwei oder mehr Öffnungen des Auslassventils 15 umzuschalten
auf die herkömmliche
Hubverlaufskurve 95 für
das Auslassventil, deren maximaler Hub außerdem erheblich größer als
der erste Maximalwert r1 – r2
der Hubverlaufskurve 100 ist. Alternativ kann natürlich das
Maximum der herkömmlichen
Hubverlaufskurve 95 auch dem ersten Maximalwert r1 – r2 bzw.
dem zweiten Maximalwert r1 – r3
der Hubverlaufskurve 100 entsprechen. Im Folgenden soll
jedoch beispielhaft angenommen werden, dass das Maximum der Hubverlaufskurve 95 gemäß 4 größer als
das erste Maximalwert r1 – r2
und damit auch größer als
der zweite Maximalwert r1 – r3
für die Hubverlaufskurve 100 ist.
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Die
Auslassphase während
dem zweiten Öffnen
des Auslassventils 15 wird auch als Nachauslassphase bezeichnet.
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Es
kann nun vorgesehen sein, zwischen den beiden Nockenprofilen in
Abhängigkeit
einer Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine
umzuschalten. Dabei kann als Ausgangsgröße beispielsweise die Motordrehzahl
gewählt
werden. Dies soll im Folgenden beispielhaft angenommen werden. Wenn
also die Motordrehzahl einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet,
dann wird das Auslassventil 15 mit einem ersten Nockenprofil
gemäß 2 betrieben, das
zu der Hubverlaufskurve 100 führt. Andernfalls wird das Auslassventil 15 mit
einem zweiten Nockenprofil betrieben, so dass sich die herkömmliche
Hubverlaufskurve 95 ergibt. Somit wird das Auslassventil 15 bei
Motordrehzahlen oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes mit großem Hub
und nur einmal geöffnet,
während
das Auslassventil 15 für
Motordrehzahlen unterhalb des vorgegebenen Schwellwertes mit vergleichsweise
kleinem Hub und mehrfach, im beschriebenen Beispiel zweimal geöffnet wird.
Dabei kann als vorgegebener Schwellwert für die Motordrehzahl beispielsweise
der Wert von 2000 Umdrehungen pro Minute gewählt werden. Auch die Hubverlaufskurve 105 für das Einlassventil 60 weist
das gleiche Maximum wie die Hubverlaufskurve 95 für das Auslassventil 15 auf.
Durch den großen
Hub lassen sich kürzere
Gaswechselphasen, wie sie bei hohen Motordrehzahlen, insbesondere
bei hoher Last, auftreten, besser Rechnung tragen. Die Mehrfachöffnung des
Auslassventils in der Auslassbetriebsphase bei kleineren Drehzahlen,
d. h. also Drehzahlen unterhalb des vorgegebenen Schwellwertes,
ermöglicht aufgrund
der beschriebenen füllungs-
bzw. drehmomentsteigernden Effekte ein verbessertes Ansprechverhalten
der Brennkraftmaschine 1 in diesem Drehzahlbereich und
insbesondere ein verbessertes Ansprechverhalten des Abgasturboladers,
so dass das sogenannte Turboloch in diesem Drehzahlbereich weitgehend
vermieden werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das
mehrmalige Öffnen
des Auslassventils 15 in der Auslassbetriebsphase auch
nur für
den Fall vorgesehen sein, in dem ein Wert für die Last der Brennkraftmaschine 1 einen
vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Der Wert für
die Last kann beispielsweise aus dem Fahrerwunschmoment abgeleitet
oder mit diesem gleichgesetzt sein. Somit wird die füllungs-
und drehmomenterhöhende
Wirkung der mehrfachen Öffnung
des Auslassventils 15 in der Auslassbetriebsphase für den Fall
einer entsprechend hohen Lastanforderung oberhalb des Schwellwertes
zur Verfügung
gestellt. Bei entsprechender Lastanforderung wird somit das Ansprechverhalten
der Brennkraftmaschine 1 und insbesondere das Ansprechverhalten
des Abgasturboladers erhöht,
so das der Fahrerwunsch möglichst
verzögerungsfrei
umgesetzt werden kann. Die beschriebene Verwendung entsprechend
unterschiedlicher Nockenprofile kann somit alternativ auch lastabhängig erfolgen,
d. h., dass in einem ersten Lastbereich oberhalb des vorgegebenen
Schwellwertes für
die Last beispielsweise das Nockenprofil gemäß 2 und damit
die Hubverlaufskurve 100 und unterhalb des Schwellwertes
für die
Last ein Nockenprofil zur Erzeugung der Hubverlaufskurve 95 vorgesehen sein
kann, die in ihrem maximalen Hub von der Hubverlaufskurve 100 verschieden
sein kann oder deren Maximum dem ersten Maximalwert r1 – r2 oder
dem zweiten Maximalwert r3 – r2
der Hubverlaufskurve 100 entsprechen kann.
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Besonders
vorteilhaft kann es nun vorgesehen sein, dass das mehrfache Öffnen des
Auslassventils 15 während
der Auslassbetriebsphase nur dann erfolgt, wenn die Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine 1,
in diesem Beispiel die Motordrehzahl den dafür vorgegebenen Schwellwert
unterschreitet und die Last der Brennkraftmaschine 1, in diesem
Beispiel das Fahrerwunschmoment den dafür vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Somit werden die beschriebenen füllungs-
bzw. drehmomentsteigernden Effekte des mehrfachen Öffnens des
Auslassventils 15 in der Auslassbetriebsphase nur für den Fall
zur Verfügung
gestellt, in dem mit geringer Drehzahl unterhalb des dafür vorgesehenen Schwellwertes
und hoher Lastanforderung oberhalb des dafür vorgesehenen Schwellwertes
gefahren wird, da genau in diesem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 eine
Verbesserung des Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine 1 und
insbesondere des Abgasturboladers zur weitgehenden Vermeidung des
Turbolochs gewünscht
wird. In einem Drehzahlbereich unterhalb des vorgegebenen Drehzahlschwellwertes
mit einer Lastanforderung ebenfalls unterhalb des dafür vorgesehenen
Schwellwertes wird dann das Auslassventil 15 in der Auslassbetriebsphase
nur noch einmal geöffnet
beispielsweise mit kleinem, maximalen Hub in der Größenordnung des
ersten Maximalwertes r1 – r2
bzw. des zweiten Maximalwertes r3 – r2. Auf diese Weise wird
der konventionelle Betrieb der Brennkraftmaschine 1 bei niedrigen
Drehzahlen mit kleinem Hub des Auslassventils 15 realisiert,
wobei auch das Einlassventil 60 mit entsprechend kleinem
Hub in diesem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 betrieben
werden kann. Für
Drehzahlen oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes für die Motordrehzahl
wird dann die Brennkraftmaschine in herkömmlicher Weise mit großem Hub
des Einlassventils 60 und des Auslassventils 15 gemäß den Hubverlaufskurven 105 und 95 in 4 betrieben,
um insbesondere bei hoher Last den in diesem Betriebsbereich kürzeren Gaswechselphasen
optimal Rechnung zu tragen. Somit sind für den beschriebenen Betrieb
der Brennkraftmaschine bei dieser vorteilhaften Weiterbildung drei
verschiedene Nockenprofile erforderlich, um die drei verschiedenen
Hubverlaufskurven für
das Auslassventil 15 zu realisieren.
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In
diesem Fall muss also zwischen drei verschiedenen Nockenprofilen
umgeschaltet werden.
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Im
Falle der dem Fachmann bekannten Verwendung einer vollvariablen
Ventilsteuerung, beispielsweise einer elektrohydraulischen oder
einer elektromagnetischen Ventilsteuerung durch die Motorsteuerung 35 lassen
sich die Öffnungs-
und Schließzeiten
des Einlassventils 60 und des Auslassventils 15 beliebig
einstellen, genauso wie der Verlauf des Hubes des Einlassventils 60 und
des Auslassventils 15, so dass die beschriebenen Hubverlaufskurven
auf diese Weise besonders komfortabel ohne Nockenwelle erreicht
werden können.
Durch das gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 4 beschriebene zweimalige Öffnen des Auslassventils 15 in
der Auslassbetriebsphase beispielsweise gemäß dem Nockenprofil nach 2 wird
ein Sechstakt-Betrieb realisiert, wohingegen die Hubverlaufskurven 95, 105 den
konventionellen Viertakt-Betrieb kennzeichnen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
lässt sich
das Drehmoment der Brennkraftmaschine 1 erhöhen, was
einerseits durch Verbesserung des Ansprechverhaltens des ggf. vorhandenen
Abgasturboladers und andererseits durch Verbesserung des Liefergrades,
also der Füllung
erreicht wird.