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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion einer effektiven Leistung einer mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Kurbelwelle, wenigstens einem Arbeitszylinder, dem ein Arbeitskolben und wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil zugeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Abgasturbolader, wenigstens einem Arbeitszylinder, dem ein Arbeitskolben und wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil zugeordnet sind, und wenigstens einer Nockenwelle, welche die Einlassventile und/oder Auslassventile betätigt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Üblicherweise wird zur Leistungs- und/oder Drehmomentsteigerung von Verbrennungsmotoren eine Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Mittels Hubraumverkleinerung (Downsizing) und/oder Absenkung der Nenndrehzahl (Downspeeding) kann dabei gleichzeitig eine nennenswerte Kraftstoffverbrauchseinsparung erreicht werden. Bei kleinen Leistungen, insbesondere < 66kW, stoßen aufgeladene Ottomotoren an technische Grenzen sowie Kundenakzeptanzprobleme. Bei sehr kleinen Einzelhubräumen von 4-Zylindermotoren, insbesondere < 300 cm3, nimmt aufgrund der Wandverluste, schwieriger Gemischaufbereitung und zunehmendem Reibleistungsanteil der noch erzielbare Verbrauchsvorteil gegenüber leistungsgleichen Saugmotoren ab. Bei einem Übergang auf aggregatetechnisch günstigere 3- oder 2-Zylindermotoren verursachen resultierende Komforteinbussen Nachteile.
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Aus der
DE 694 06 560 T2 ist es bekannt, den Schließzeitpunkt des Einlassventils so zu verstellen, dass er auf einen Kurbelwinkel von 60°KW oder mehr nach unterem Totpunkt (UT oder BDC „Bottom Dead Center“) verzögert wird. Diese Verfahrensweise nennt man Miller-Zyklus oder Miller-Arbeitsspiel und verringert das effektive Kompressionsverhältnis. Im Ergebnis wird die durch die Kompressionsarbeit hervorgerufene Temperaturerhöhung verringert, was die Klopffestigkeit erhöht.
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Aus der
DE 28 14 343 A1 ist ein Regelsystem für eine durch Abgasturbolader aufgeladene Diesel-Brennkraftmaschine mit einer Verstelleinrichtung für die Steuerzeiten der Gaswechselventile bekannt. In Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmenge betätigt ein Motorregler die Verstelleinrichtung in dem Sinne, dass bei Verkleinerung der Einspritzmenge der Schließzeitpunkt der Einlassventile von „Früh“ nach „Spät“ verstellt wird.
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Die
DE 602 00 696 T2 offenbart eine aufgeladene, fremdgezündete Brennkraftmaschine, für die bei Einlassventil-Steuerzeiten von deutlich über 180°KW ein Schließen der Einlassventile deutlich nach einem Ladungswechsel-UT vorgesehen sein kann. Die Brennkraftmaschine soll sich durch eine hohe Leistung trotz der Realisierung einer internen Abgasrückführung auszeichnen.
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Aus der
DE 10 2004 045 967 A1 ist weiterhin eine Brennkraftmaschine mit Verdichtungszündung bekannt, für die Einlassventil-Steuerzeiten von 180°KW vorgesehen sein können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Brennkraftmaschine der o.g. Art bzgl. des Verbrauchsverhaltens und des Laufkomforts zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art zum einen erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei mindestens einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine nach einem Ansaugtakt das wenigstens eine Einlassventil um einen vorbestimmten ersten Wert einer Drehung der Kurbelwelle in °KW später geschlossen wird, nachdem der Arbeitskolben des diesem Einlassventil zugeordneten Arbeitszylinders nach dem Ansaugtakt einen unteren Totpunkt (LW-UT) passiert hat.
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Vorzugsweise wird diese Maßnahme in mehreren, insbesondere direkt aufeinander folgenden Arbeitszyklen durchgeführt, ganz bevorzugt in allen.
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Durch den späteren Schließzeitpunkt des Einlassventils muss der Ladedruck angehoben werden, um die zur Verbrennung erforderliche Zylinderfüllung zur Verfügung zu stellen. Dies bewirkt eine Verschiebung des Betriebspunktes im Verdichterkennfeld zu höheren Druckverhältnissen. Je näher der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld an der Volumenstromachse (Verdichterdruckverhältnis = 1) liegt, desto schlechter wird der Verdichterwirkungsgrad. Für ein Verdichterdruckverhältnis von 1 erreicht er den Wert 0. Der Verdichterwirkungsgrad beim Miller-Motor ist demnach deutlich besser als bei einem Motor mit Standard-Steuerzeiten. Bei geeigneter Auswahl des Laders und der Miller-Steuerzeiten kann daher trotz des höheren Verdichterdruckverhältnisses ein vergleichsweise geringes Abgasgegendruckniveau realisiert werden. Das sehr niedrige Verdichterdruckverhältnis bei der Verwendung von Standard-Steuerzeiten geht insbesondere in der Nähe des Nennpunktes mit sehr niedrigen Drücken am Verdichterradaustritt einher. Hier müssten spezielle sehr aufwendige und damit teure Dichtungssysteme zwischen Lagergehäuse und Verdichter eingesetzt werden, für die es derzeit keine technische Lösung gibt. Mit der Verwendung der Miller-Steuerzeiten kann dieses Problem auf einfache Weise umgangen werden, da mit dem höheren Druckverhältnis die Ölleckage vermieden wird.
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Beispielsweise ist der vorbestimmte Wert 50°KW oder später, insbesondere 60°KW oder 70° KW oder später.
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Dadurch, dass für einen Ansaugtakt das Einlassventil um einen vorbestimmten Wert einer Drehung der Kurbelwelle in °KW später geöffnet wird, nachdem der Arbeitskolben des diesem Einlassventil zugeordneten Arbeitszylinders nach einem Ausstoßtakt einen oberen Totpunkt (LW-OT) passiert hat, öffnet das Einlassventil bei erhöhtem Unterdruck im Arbeitszylinder und die Ladungsbewegung wird verbessert. Dies erzielt eine höhere Restgas- bzw. EGR-Verträglichkeit und eine dementsprechende Verbrauchsminderung.
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Beispielsweise beträgt der vorbestimme zweite Wert 15°KW oder später, insbesondere 20°KW, 25° KW, 30° KW, 35° KW, 40° KW oder 75° KW oder später.
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Beispielsweise beträgt ein Bypass-Anteil eines an einer Turbine des Abgasturboladers vorbeigeleiteten Abgases im Nennpunkt 0,4 oder weniger, insbesondere 0,37 oder weniger.
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Vorzugsweise beträgt das Verdichterdruckverhältnis im Nennpunkt 1,2 oder mehr, insbesondere 1,4 oder mehr.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass eine Einlassventil-Steuerzeit von einem Ventilhub von 1 mm beim Öffnen des Einlassventils bis zu einem Ventilhub von 1 mm beim Schließen des Einlassventils kleiner als 175°KW, vorzugsweise kleiner als 160°KW oder 145°KW, ist., Dadurch ergibt sich im Teillastbereich eine Verringerung der Ladungswechselarbeit und im Auflade-Volllastbereich eine zusätzliche Absenkung einer Wastegaterate.
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Ein hohes Motormoment bei niedrigen Drehzahlen erzielt man dadurch, dass eine Auslassventil-Steuerzeit von einem Ventilhub von 1mm beim Öffnen des Auslassventils bis zu einem Ventilhub von 1mm beim Schließen des Auslassventils kleiner als 180°KW, insbesondere kleiner als 174°KW, ist.
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Ferner ist es bei einer Brennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Nockenwelle derart ausgebildet ist, dass das Einlassventil um einen vorbestimmten ersten Wert einer Drehung der Kurbelwelle in °KW später schließt, nachdem der Arbeitskolben des diesem Einlassventil zugeordneten Arbeitszylinders nach einem Ansaugtakt einen unteren Totpunkt (LW-UT) passiert hat, und dass das Einlassventil um einen vorbestimmten zweiten Wert einer Drehung der Kurbelwelle in °KW später öffnet, nachdem der Arbeitskolben des diesem Einlassventil zugeordneten Arbeitszylinders nach einem Ausstoßtakt einen oberen Totpunkt (LW-OT) passiert hat.
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Dies hat den Vorteil, dass sich bei verringerter Kompressionsrate gleichzeitig eine verringerte Steuerzeit für das Einlassventil ergibt, wodurch sich im Teillastbereich eine Verringerung der Ladungswechselarbeit ergibt. Dies erzielt in vorteilhafter Weise eine höhere Restgas- bzw. EGR-Verträglichkeit und eine dementsprechende Verbrauchsminderung.
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Beispielsweise ist der vorbestimmte erste Wert 50°KW oder später, insbesondere 60°KW oder 70°KW oder später.
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Beispielsweise beträgt der vorbestimme zweite Wert 15°KW oder später, insbesondere 20°KW, 25°KW, 30°KW, 35°KW, 40°KW oder 75°KW oder später.
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Dadurch, dass die Nockenwelle zusätzlich derart ausgebildet ist, dass eine Einlassventilsteuerzeit von einem Ventilhub von 1mm beim Öffnen des Einlassventils bis zu einem Ventilhub von 1mm beim Schließen des Einlassventils kleiner als 175°KW, 160°KW oder 145°KW, ist, ergibt sich im Teillastbereich eine Verringerung der Ladungswechselarbeit und im Auflade-Volllastbereich eine zusätzliche Absenkung einer Wastegaterate bzw. eines Bypass-Anteils.
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Ein hohes Motormoment bei niedrigen Drehzahlen erzielt man dadurch, dass die Nockenwelle zusätzlich derart ausgebildet ist, dass eine Auslassventilsteuerzeit von einem Ventilhub von 1mm beim Öffnen des Auslassventils bis zu einem Ventilhub von 1mm beim Schließen des Auslassventils kleiner als 180°KW, insbesondere kleiner als 174°KW, ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
- 1 eine graphische Darstellung eines Drehmomentverlaufes über die Drehzahl für einen Saugmotor, für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor, für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor mit verkürzten Ventilsteuerzeiten für die Auslassventile, für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor mit verkürzten Ventilsteuerzeiten für die Auslassventile und verspätet nach dem Ladungswechsel-OT (LW-OT) öffnendem Einlassventil sowie für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor mit verkürzten Ventilsteuerzeiten für die Auslassventile und Leistungsbegrenzung durch erhöhte Wastegaterate,
- 2 eine graphische Darstellung des Ventilhubes des Einlassventils über einer Kurbelwellenstellung für verschiedene Ventilsteuerzeiten und
- 3 eine grafische Darstellung des Verdichterdruckverhältnisses des Verdichters des Abgasturboladers über einen Verdichtervolumenstrom des Verdichters des Abgasturboladers für einen Standardmotor (gestrichelt) und einen Motor mit verspätet nach dem Ladungswechsel-OT (LW-OT) öffnenden Einlassventil.
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In 1 ist für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit einer Turbine, wenigstens einem Arbeitszylinder, dem ein Arbeitskolben und wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil zugeordnet sind, und wenigstens einer Nockenwelle, welche die Einlassventile und Auslassventile betätigt auf der horizontalen Achse 10 eine Drehzahl und auf der vertikalen Achse 12 ein Drehmoment aufgetragen. Nachfolgend wird hauptsächlich auf „ein Einlassventil“ Bezug genommen, wobei hiermit auch mehrere Einlassventile eines und/oder verschiedener Arbeitszylinder gemeint sein sollen. Ein erster Graph 14 zeigt einen Verlauf des Drehmomentes 12 über die Drehzahl 10 für einen Saugmotor, ein zweiter Graph 16 zeigt einen Verlauf des Drehmomentes 12 über die Drehzahl 10 für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor, ein dritter Graph 18 zeigt einen Verlauf des Drehmomentes 12 über die Drehzahl 10 für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor mit verkürzten Steuerzeiten für die Auslassventile, ein vierter Graph 20 zeigt einen Verlauf des Drehmomentes 12 über die Drehzahl 10 für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor mit verkürzten Steuerzeiten für die Auslassventile und verspätet nach dem oberen Totpunkt bei Ladungswechsel (LW-OT) öffnendem Einlassventil und ein fünfter Graph 22 zeigt einen Verlauf des Drehmomentes 12 über die Drehzahl 10 für einen hubraumgleichen aufgeladenen Motor mit verkürzten Steuerzeiten für die Auslassventile und Leistungsbegrenzung durch eine erhöhte Wastegaterate, d.h. ein erhöhter Bypass-Anteil des Abgases wird über eine Bypassleitung an der Turbine des Abgasturboladers vorbei geleitet.
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In 2 ist auf der horizontalen Achse 24 eine Kurbelwellenstellung einer Kurbelwelle der aufgeladenen Brennkraftmaschine in °KW (Grad Kurbelwelle) angegeben, wobei 0°KW den LW-OT (oberer Totpunkt bei Ladungswechsel) kennzeichnet. Auf der vertikalen Achse 26 ist ein Ventilhub eines Einlassventiles in mm angegeben. Der Ausdruck „Ventilöffnungszeit“ bezeichnet hierin einen Bereich der Kurbelwellenstellung in °KW ab dem Öffnen des Einlassventils mit einem Hub von 1 mm bis zum Schließen des Einlassventils mit einem Hub von 1 mm. Es ist ersichtlich, dass das Einlassventil nach dem Ansaugtakt, welcher von 0°KW bis 180°KW dauert, immer zur gleichen Zeit geschlossen wird. Jedoch schließt das Einlassventil nicht genau mit dem Ende des Ansaugtaktes, sondern erst später, nach Überschreiten des unteren Totpunktes (LW-UT) bei 180°KW, also erst während des Verdichtungstaktes. Das Einlassventil erreicht den Schließhub von 1mm dabei erst bei etwa 235°KW, also erst ca. 55°KW nach dem LW-UT bei 180°KW bzw. 55°KW nach Beginn des Verdichtungstaktes. Diese Verfahrensweise ist als Miller-Zyklus bekannt. Andererseits sind unterschiedliche, vorbestimmte Öffnungszeitpunkte für das Einlassventil vorgesehen. Dies veranschaulichen drei Graphen, wobei ein sechster Graph 28 den Ventilhub 26 des Einlassventils über die Kurbelwellenstellung 24 für eine Ventilöffnungszeit von 145°KW mit einem maximalen Ventilhub bei 165°KW nach LW-OT, ein siebter Graph 30 den Ventilhub 26 des Einlassventils über die Kurbelwellenstellung 24 für eine Ventilöffnungszeit von 176°KW mit einem maximalen Ventilhub bei 150°KW nach LW-OT und ein achter Graph 32 den Ventilhub 26 des Einlassventils über die Kurbelwellenstellung 24 für eine Ventilöffnungszeit von 194°KW mit einem maximalen Ventilhub bei 140°KW nach LW-OT zeigt.
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In 3 ist auf der horizontalen Achse 34 ein Verdichtervolumenstrom aufgetragen. Auf der vertikalen Achse 36 ist für die konstanten Verdichterdrehzahlen (0.25, 0.5, 0.75 und 1mal die Maximaldrehzahl n_max) das Verdichterdruckverhältnis (dimensionslos) aufgetragen. Zusätzlich sind die Linien konstanten Verdichterwirkungsgrades 0.95, 0.9, 0.8, 0.6, 0.4, und 0.2 mal den optimalen Verdichterwirkungsgrad Eta_opt eingetragen. Ein neunter Graph 38 zeigt den typischen Verlauf einer Volllastbetriebslinie einer durch Anhebung der Wastegaterate in der Leistung reduzierten Brennkraftmaschine mit Standardsteuerzeiten. Ein zehnter Graph 40 veranschaulicht den Verlauf einer Volllastbetriebslinie für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit verspätet nach dem LW-OT öffnendem Einlassventil.
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Graph 16 in 1 veranschaulicht die Leistungsabgabe der in herkömmlicher Weise aufgeladenen Brennkraftmaschine. Um für diese Brennkraftmaschine die effektive Leistung zu reduzieren, d.h. also das Drehmoment für eine gegebene Drehzahl zu verringern, ist es bekannt, die Wastegaterate zu erhöhen. Aus 3 ist dem neunten Graphen 38 zu entnehmen, dass jedoch der Betrieb mit Standardsteuerzeiten mit einem geringen Verdichterdruckverhältnis (entsprechend einem Verdichterdruckverhältnis üblicherweise < 1,3, speziell < 1,2, maximal sogar < 1,1) und einem geringen Verdichterwirkungsgrad (< 0.6, < 0.4 bis < 0.2 des optimalen Verdichterwirkungsgrades Eta_opt) einhergeht.
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Der geringe Verdichterwirkungsgrad bewirkt, dass sich trotz des niedrigen Verdichterdruckverhältnisses ein relativ hohes Turbinendruckverhältnis einstellt. Das sehr niedrige Verdichterdruckverhältnis bei der Verwendung von Standard-Steuerzeiten geht außerdem insbesondere in der Nähe des Nennpunktes mit sehr niedrigen Drücken am Verdichterradaustritt einher. Wenn der Druck unter den Druck im Lagergehäuse abfällt, besteht die Gefahr einer Ölleckage vom Lagergehäuse in das Verdichtergehäuse.
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Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine dadurch zu verringern, dass bei jedem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine nach einem Ansaugtakt das Einlassventil um einen vorbestimmten ersten Wert einer Drehung der Kurbelwelle in °KW später geschlossen wird, nachdem der Arbeitskolben des diesem Einlassventil zugeordneten Arbeitszylinders nach dem Ansaugtakt einen unteren Totpunkt (LW-UT) passiert hat. Hierdurch kann, wie unmittelbar aus 1 ersichtlich, nahezu dieselbe Leistungsreduktion bei mittleren und hohen Drehzahlen erzielt werden, wie bei einem Motor mit Standardsteuerzeiten. Mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerzeiten kann das Problem der Ölleckage auf einfache Weise umgangen werden, da mit dem höheren Druckverhältnis die Ölleckage vermieden wird.
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Im Vergleich zum Standardmotor wird bei dem Motor mit erfindungsgemäßen Steuerzeiten das Verdichterdruckverhältnis auf Werte von mindestens > 1,2, besser > 1,3, ideal > 1,4 angehoben. Die Lage der Volllastbetriebslinie ist in 3 beispielhaft im zehnten Graph 40 dargestellt. Die Verschiebung des Betriebspunktes im Verdichterkennfeld geht mit einer Verbesserung des Verdichterwirkungsgrades bzw. des Turboladerwirkungsgrades einher. Bei geeigneter Auswahl der Turboladerturbine und des Turboladerverdichters kann somit das Turbinendruckverhältnis gegenüber einem Motor mit Standardsteuerzeiten trotz erhöhter Turboladerleistung abgesenkt werden.
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Als ergänzende Maßnahmen werden neben der Verkürzung der Steuerzeiten der von der Auslass-Nockenwelle betätigten Auslassventile eine verspätete Öffnung des Einlassventils nach LW-OT (bei 0°KW) bei gleichzeitig unveränderter Schließzeit vorgeschlagen, wie aus 2 ersichtlich. Hieraus resultiert eine Verkürzung der Ventilöffnungszeit für das Einlassventil auf ≤190°KW, ≤175°KW, ≤160°KW bzw. ≤145°KW. Hieraus ergeben sich insbesondere zwei Vorteile: Im Sauger-Teillastbereich führen die verkürzten Ventilsteuerzeiten des bzw. der Einlassventile zu einer Verringerung der Ladungswechselarbeit. Weiterhin öffnet das Einlassventil bei erhöhtem Unterdruck im Arbeitszylinder und die Ladungsbewegung wird verbessert. Dies erzielt eine höhere Restgas- oder EGR-Verträglichkeit mit entsprechender Verbrauchsminderung. Das Verfahren ist bei 2-, 3, 4- und 5-Ventilmotoren anwendbar. Der Motor kann eine oder zwei die Gaswechselventile eines Arbeitszylinders antreibende Nockenwellen aufweisen. Bevorzugt erfolgt die Anwendung der Erfindung bei Ottomotoren, insbesondere direkteinspritzende Ottomotoren, mit <1,5Litem, <1,4Litem, <1,25 Litern oder <1,1 Litern Hubraum und spezifischen Leistungen <50kW/Liter, <40kW/Liter oder <35kW/Liter. Als Kraftstoff kann neben den bekannten Ottokraftstoffen nach EN228 verdichtetes Erdgas (CNG) oder druckverflüssigtes Autogas (LPG) sowie alkoholhaltige Vergaserkraftstoffe mit >20% Ethanolanteil zum Einsatz kommen.
