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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasfiltereinrichtung
und wenigstens einem Arbeitszylinder, dem wenigstens je ein Einlass-
und ein Auslassventil zugeordnet sind, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 10 2005
058 281 A1 ist ein Verfahren zum Optimieren einer Schubabschaltung
einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei innerhalb der Schubabschaltphase
ein Schließzeitpunkt für das Einlassventil nach
spät verschoben wird, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine
einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Auf diese Weise wird über
eine geeignete Zylinder-Luftfüllung und die Anwendung stöchiometrischer
Verhältnisse bei der Kraftstoffeinspritzung ein Übergangsdrehmoment vorgegeben.
Dies erzielt einen weichen Übergang zwischen der Schubabschaltphase
und einem Leerlauf, einem Teillast- oder einem Volllastbetrieb mit Befeuerung
der Arbeitszylinder. Auf diese Weise soll der Übergang
von der Schubabschaltung zurück zu einem befeuerten Betrieb
der Brennkraftmaschine verbessert werden.
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Aus
der
DE 10 2004
019 830 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
eines Fahrzeugs bekannt, wobei während einer Schubabschaltung
die Zusammensetzung einer im Ansaugtakt über die Einlassseite
anzusaugende Ansaugladung in Abhängigkeit von einer Temperatur des
Abgases und/oder der Abgasanlage vorgegeben wird. Hierzu werden
die Auslassseite und/oder AGR-Ventile derart gesteuert, dass die
Zylinderladung teilweise über die Auslassseite bzw. die AGR-Ventile
angesaugt wird. Dies soll durch einen sauerstoffarmen Abgasmassenstromanteil
aus der Auslassseite und der damit verbundenen Reduktion von reaktionsfreudigem
Sauerstoff im Bereich der Abgasanlage Temperaturspitzen durch unerwünschte
Nachreaktionen im Bereich der Abgasanlage, insbesondere im Bereich
der Abgaskatalysatoren, vermeiden. Eine Verstellung eines Schließzeitpunktes der
Einlassseite ist in
DE
10 2004 019 830 A1 nicht offenbart.
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Aus
der
DE 195 81 571
T1 ist eine vierventilige Diesel-Brennkraftmaschine gemäß der
dortigen
1 bekannt, wobei eine erste
Nockenwelle eines der Einlassventile und beide Auslassventile betätigt, während
eine zweite Nockenwelle das andere Einlassventil und ebenfalls eines
der beiden bereits von der anderen Nockenwellen betätigten
Auslassventile in Bewegung versetzen kann. Die zweite Nockenwelle
ist gemäß Beschreibung dieses Dokumentes von einer
Verstelleinrichtung um einen festgelegten Winkel verdrehbar, so
dass die Steuerung des von dieser Nockenwelle betätigten
Einlassventils und des Auslassventils auf einen späteren
Zeitpunkt verstellt wird.
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Aus
der
DE 10 2006
016 739 A1 ist eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einem
variabel zu betätigenden Gaswechselventilsystem bekannt,
bei welchem zur Sicherstellung eines Motorstartes der Einlassventil-Schließzeitpunkt
entsprechend einem Motorbetriebszustand verstellt wird. In der der
Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasanlage ist eine Filtereinrichtung
für Abgase in Form eines Katalysators vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches hinsichtlich Kraftstoffverbrauch,
Abgasemissionen und einem Bauteileschutz verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer der Brennkraftmaschine zugeordneten
Abgasanlage enthaltend wenigstens eine Filtereinrichtung und mit
wenigstens einem Arbeitszylinder, dem wenigstens ein Einlassventil
und mindestens ein Auslassventil zugeordnet ist, wobei sowohl das
wenigstens eine Einlassventil und das wenigstens eine Auslassventil
von einer gemeinsamer Nockenwelle betätigt werden, welcher
eine Phasenverstellvorrichtung zugeordnet ist, vorgesehen, dass
für den Fall, dass ein Beladungszustand der Filtereinrichtung
einen vorgebbaren Wert überschreitet und die Brennkraftmaschine
zeitlich nach einem Lastbetrieb in einen Schubbetrieb wechselt die
Phasenverstellvorrichtung in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl
der Brennkraftmaschine Schließzeitpunkte des Einlassventils
und/oder Schließzeitpunkte des Auslassventils derart verschiebt,
dass ein Liefergrad der Brennkraftmaschine verringert wird.
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Der
dimensionslose Liefergrad einer Brennkraftmaschine ist derart definiert,
dass er sich aus dem Quotienten des tatsächlichen, geometrischen Hubvolumens
und der tatsächlich im aktuellen Betriebspunkt angesaugten
Luftmasse ergibt. Im Idealfall ist der Liefergrad daher 1, bei bestimmten
Aufladeeffekten kann er sogar größer als 1 sein,
in der Regel ist er jedoch in weiten Betriebsbereichen in der Größenordnung
zwischen 0,7 und 0,95.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass
die durch die Abgasanlage der Brennkraftmaschine strömende,
sauerstoffreiche Frischgasmenge während des Schubbetriebes
deutlich reduziert wird, so dass beispielsweise ein unkontrollierter
Abbrand von z. B. Ruß in der Filtereinrichtung sehr wirksam
jedoch auf einfache Weise verhindert wird, wodurch unzulässig
hohe Temperaturen in der Abgasanlage und der Filtereinrichtung vermieden werden,
was einem Bauteilschutz gleichkommt. Dieses wird dadurch erreicht,
dass falls der Beladungszustand der Filtereinrichtung bereits hoch
ist in einer solchen Schubbetriebsphase die Schließzeitpunkte der
Einlass- bzw. Auslassventile von der Phasenverstellvorrichtung so
verschoben werden, dass der Liefergrad in Richtung niedrigerer Werte
verringert wird.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung wird für die hier vorgesehene
Brennkraftmaschine mit einer nicht sortenreinen Nockenwelle, d.
h. einer Nockenwelle auf welcher Nocken sowohl Einlass- als auch
Auslassventile betätigen, dass wenigstens eine Einlassventil in
einem ersten Drehzahlbereich unterhalb einer Grenzdrehzahl nach
spät verschoben und in einem zweiten Drehzahlbereich der
sich oberhalb des erstgenannten Drehzahlbereiches anschließt,
nach früh verschoben wird.
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Diese
Auslegung berücksichtigt in Liefergrad senkender Weise
die Tatsache, dass wenn beispielsweise aus einem Volllastbetrieb
oder einem volllastnahen Betrieb, d. h. bei relativ hohen Drehzahlen,
in einen Schubbetrieb gewechselt wird, für die Liefergradreduktion
eher ein frühes Auslassventilschließen gasdynamisch
relevant ist, während bei dem Wechsel in einen Schubbetrieb
während eines mittleren oder niedrigeren Drehzahlbereiches
gasdynamisch eher das späte Einlassventilschließen
liefergradsenkend ist.
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Die
Verstellwege in ° Kurbelwinkel der Phasenverstellvorrichtung
sind als relative Verstellwinkel zu betrachten, da sich diese Verstellung
immer zusätzlich zu der absoluten, fixen Phasenlage der
Nocken auf der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle ergibt. Hierbei
haben sich besonders vorteilhafte Verhältnisse eingestellt,
wenn der Schließzeitpunkt für das wenigstens eine
Einlassventil um 0° KW bis 90° KW verstellt wird,
vorzugsweise um 40° KW bis 60° KW, insbesondere
45° KW bis 50° KW. Bei einer Verstellung um 45° KW
kann dann beispielsweise die früheste Spätstellung
bezogen auf einen unteren Totpunkt (UT) 15° betragen, während
die späteste Spätstellung bezogen auf diesen UT
bei 60° KW liegt.
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In
bestimmten Betriebsbereichen bzw. Fahrsituationen kann eine weitere
Optimierung des momentanen Liefergrades dadurch erreicht werden, dass
der Schließzeitpunkt für das wenigstens eine Einlassventil
umso mehr nach spät verstellt wird, je niedriger die Drehzahl
der Brennkraftmaschine während des Schubbetriebes abfällt.
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Der
erfindungsgemäß dargestellte Millercycle zur Luftmassenreduktion
in der Abgasanlage in Nulllastphasen oder Phasen nahe Nulllast ermöglicht somit
in Kombination mit der Phasenverstellvorrichtung bei einer gemischten
Nockenanordnung einen Schutz eines Dieselpartikelfilters, insbesondere
bei hoher Partikelbeladung.
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Russ-
bzw. Dieselpartikelfilter werden zur nahezu vollständigen
Filterung des Abgases von Russpartikeln eingesetzt. Für
eine sichere Funktion und zum Schutz des Bauteils selbst muss die
Beladung des Filters kontrolliert und eine rechzeitige Regeneration
des Russpartikelfilters eingeleitet werden. Hierbei darf die Beladung
nicht zu hoch werden, damit beim Abbrand des Rußes während
der Regenration keine kritischen Temperaturen im Filter überschritten
werden. Ein kritischer Fall ist dabei eine hohe Beladung des Russpartikelfilters
in Volllastphasen mit anschließendem Schubbetrieb, wie
beispielsweise bei einem Ausrollen auf der Autobahn. Hier führt
die hohe Bauteiltemperatur mit anschließendem Durchströmen
von stark sauerstoffhaltigem Frischgas zu einem unkontrollierten
Russabbrand mit entsprechender thermischer Belastung des Russpartikelfilters.
In Abhängigkeit von der Beladung werden dabei innerhalb
weniger Sekunden sehr hohe Temperaturen erreicht.
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Ohne
das erfindungsgemäß Verfahren muss bereits bei
einem geringeren Beladungszustand der Filtereinrichtung damit gerechnet
werden, dass aufgrund des hohen Luftüberschusses in der
Abgasanlage in Schubphasen Temperaturspitzen auftreten, die der
Abgasanlage schädlich sein können. Dieses konnte
bisher nur dadurch bekämpft werden, dass die Partikelfilterregeneration
häufiger durchgeführt wurde. Durch die hier vorgeschlagene
Vertrimmung der Einlass- bzw. Auslasssteuerzeiten wird die Frischluftzufuhr
gezielt stark reduziert, so dass Regenerationsintervalle deutlich
verlängert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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Diese
zeigt in
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1 eine
schematische Darstellung einer Nockenwellenanordnung zum erfindungsgemäßen Betreiben
einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
graphische Darstellung der Ventilbewegung von Einlass- und Auslassventilen
der verschiedenen Nockenwellen und der Kolbenbewegung bei einem
Verstellwinkel von 0° KW,
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3 eine
graphische Darstellung der Ventilbewegung von Einlass- und Auslassventilen
der verschiedenen Nockenwellen und der Kolbenbewegung bei maximaler
Verstellung in Richtung Früh und
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4 eine
graphische Darstellung der Ventilbewegung von Einlass- und Auslassventilen
der verschiedenen Nockenwellen und der Kolbenbewegung bei maximaler
Verstellung in Richtung Spät und
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5 eine
grafische Darstellung des Liefergrades für verschiedene
Lastpunkte und Verstellungen des Schließzeitpunktes der
Einlassventile in Abhängigkeit von einer Drehzahl.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform einer hier nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, welcher
nicht näher dargestellte Arbeitszylinder begrenzt, oszillieren
jeweils Hubkolben (nicht dargestellt) in diesen Arbeitszylindern.
Der Zylinderkopf weist eine Einlassseite auf, an welche den Arbeitszylindern
Frischgas zugeführt wird und eine Auslassseite auf, an
der Abgase einer Abgasanlage, enthaltend eine Filtereinrichtung,
abgeführt werden.
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Jedem
Arbeitszylinder sind zwei Einlassventile (nicht dargestellt) und
zwei Auslassventile (nicht dargestellt) zugeordnet, wobei eine erste
Nockenwelle 16 und eine zweite Nockenwelle 18 vorgesehen sind.
Die erste Nockwelle 16 trägt Einlassnocken 20, die
jeweils ein Einlassventil betätigen, und Auslassnocken 22,
die jeweils ein Auslassventil betätigen. Ebenso trägt
die zweite Nockenwelle 18 Einlassnocken 24, die
jeweils ein Einlassventil betätigen, und Auslassnocken 26,
die jeweils ein Auslassventil betätigen. Auf beiden Nockenwellen 16, 18 wechseln
sich in Längsrichtung gesehen jeweils Einlassnocken 20, 24 und
Auslassnocken 22, 26 ab. Auf diese Weise werden
die beiden Einlassventile und Auslassventile eines jeden Arbeitszylinders
von verschiedenen Nockenwellen 16, 18 betätigt.
Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, ist somit jede
der Nockenwellen 16, 18 eine so genannte gemischte
Nockenwelle, d. h. jede Nockenwelle 16, 18 betätigt
sowohl Einlass- als auch Auslassventile über entsprechende
Einlassnocken 20, 24 bzw. Auslassnocken 22, 26.
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Unabhängig
von der Anzahl der jedem Arbeitszylinder zugeordneten Anzahl von
Gaswechselventilen werden immer alle Gaswechselventile in ihrer
Gesamtheit von den zwei Nockenwellen betätigt.
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Die
Steuerzeiten der ersten Nockenwelle 16 für die
dieser zugeordneten Einlass- und Auslassventile sind unveränderbar
festgelegt. An der zweiten Nockenwelle 18 ist eine Phasenverstellvorrichtung 28 angeordnet,
welcher die Steuerzeiten der dieser zugeordneten Einlass- und Auslassventile
gegenüber den Steuerzeiten der ersten Nockenwelle 16 verändert,
indem die zweite Nockenwelle 18 durch die Phasenverstellvorrichtung 28 relativ
zur ersten Nockenwelle 16 verdreht wird. Die erste Nockenwelle 16 ist
diejenige Nockenwelle, die bei 30 von einer nicht dargestellten
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die erste Nockenwelle 16 treibt dann
ihrerseits über Zahnräder 32 die zweite
Nockenwelle 18 an.
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In
den 2 bis 4 ist auf einer horizontalen
Achse 34 ein Kurbelwinkel und auf einer vertikalen Achse 36 eine
Hubbewegung aufgetragen. Auf der horizontalen Achse 34 ist
bei 38 ein unterer Totpunkt (UT) des Hubkolbens vor dem
Ladungswechsel, bei 40 ein oberer Totpunkt (OT) des Hubkolbens während
des Ladungswechsels und bei 42 ein unterer Totpunkt (UT)
des Hubkolbens nach dem Ladungswechsel aufgetragen. Ein erster Graph 44 veranschaulicht
die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für
den Kolben, ein zweiter Graph 46 veranschaulicht die Hubbewegung 36 über
den Kurbelwinkel 34 für diejenigen Auslassventile,
die von den Auslassnocken 22 der ersten Nockenwelle 16 gesteuert
werden, ein dritter Graph 48 (gestrichelt) veranschaulicht
die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für
diejenigen Auslassventile, die von den Auslassnocken 26 der
zweiten Nockenwelle 18 gesteuert werden, ein vierter Graph 50 veranschaulicht die
Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für diejenigen
Einlassventile, die von den Einlassnocken 20 der ersten
Nockenwelle 16 gesteuert werden und ein fünfter
Graph 52 (gestrichelt) veranschaulicht die Hubbewegung 36 über
den Kurbelwinkel 34 für diejenigen Einlassventile,
die von den Einlassnocken 24 der zweiten Nockenwelle 18 gesteuert
werden.
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In 2 ist
eine Stellung des Verstellers 28 mit 0° KW dargestellt,
d. h. die Nockenwellen 16, 18 sind nicht gegeneinander
verdreht. In 3 ist eine Stellung des Verstellers
bei maximaler Verstellung in Richtung Spät und in 4 ist
eine Stellung des Verstellers bei maximaler Verstellung in Richtung
Früh dargestellt. Wie aus den 2 bis 4 unmittelbar ersichtlich,
bleibt die Hubbewegung der Ventile der ersten Nockenwelle 16 (zweiter
Graph 46 und vierter Graph 50) relativ zur Kurbelwelle
unverändert, wohingegen die Hubbewegung der Ventile der
zweiten Nockenwelle 18 (dritter Graph 48 und fünfter
Graph 52 jeweils gestrichelt) gemeinsam für die
zugeordneten Einlassventile und Auslassventile verschoben werden.
Hierdurch kann einerseits durch die verschobenen Öffnungszeiten
zwischen den Einlassventilen der ersten Nockenwelle 16 (Einlassnocken 20;
vierter Graph 50) und den Einlassventilen der zweiten Nockenwelle 18 (Einlassnocken 24;
fünfter Graph 52) ein Millereffekt simuliert werden
(2), wobei andererseits eine Kollision zwischen
den Einlassventilen und dem Hubkolben verhindert ist.
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Vorzugsweise
sind für dieses simulierte Millern mindestens zwei Einlassventile
pro Arbeitszylinder vorhanden und jeweils ein, vorzugsweise zwei Auslassventile
pro Arbeitszylinder, wobei die Einlassventile eines jeden Arbeitszylinders
von verschiedenen Nockenwellen betätigt werden. Hierbei
bedient eine Nockenwelle 16 die Hälfte aller Ein-
und Auslassventile mit konventionellen Steuerzeiten. Die zweite
Nockenwelle 18 bedient die verbleibenden Ein- und Auslassventile
und ist hinsichtlich der Nockenkontur für "Auslassventil
schließt" und "Einlassventil öffnet" so ausgelegt,
dass ein Verstellbereich dieser Nockenwelle 18 von ca.
60° KW +/– 20° ohne Kolbenkollision stattfinden
kann.
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Der
Millereffekt wird dadurch erzielt, dass das früheste "Einlassventil öffnet"
der einen Nockenwelle 16 und das späteste "Einlassventil
schließt" der anderen Nockenwelle 18 unterschiedlichen
Ventilen für jeden Arbeitszylinder zugeordnet ist, vgl. 4.
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Die
erste Nockenwelle 16 hat ein ES bei ca. = UT 42,
um das maximale Verdichtungsverhältnis bei Frühverstellung
der zweiten Nockenwelle 18 zu erzielen. Alternativ zu der
in 3 dargestellten Situation bei 0°-Verstellung
des Verstellers 28 kann auch dies als 0° Position
für die zweite Nockenwelle 18 betrachtet werden,
so dass dann nur noch eine Spätverstellung erfolgt. Wichtig
ist aber in jedem Fall, dass der Einlassnocken von der ersten Nockenwelle 16 im Vergleich
zu beispielsweise bei Dieselmotoren üblichem ES bei ca.
10°–25° KW nach UT derart gekürzt ist,
dass die UT Position ES durch beide Nocken erzielt werden kann.
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In 5 ist
auf einer horizontalen Achse 60 eine Drehzahl in [1/min]
und auf einer vertikalen Achse 62 ein Liefergrad aufgetragen.
Ein erster Graph 64 veranschaulicht den Liefergrad 62 in
Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei Volllast
mit liefergradoptimaler Einstellung der Einlassventile und einer
Spätverstellung von 0° KW. Ein zweiter Graph 66 veranschaulicht
den Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei
Volllast mit einer Spätverstellung der Einlassventile von
15° KW. Ein dritter Graph 68 veranschaulicht den
Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei
Nulllast mit einer Spätverstellung der Einlassventile von
0° KW. Ein vierter Graph 70 veranschaulicht den
Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei
Nulllast mit einer Spätverstellung der Einlassventile von
45° KW.
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Wie
aus 5 ersichtlich, führt ein überhöhtes
Spätverstellen, beispielsweise um 45° KW bei vergleichsweise
niedrigen Drehzahlen – Graph 70 – oder
eine vergleichsweise frühe Phasenlage, um ca. 15° KW
verstellt, bei hohen Drehzahlen – Graph 68 – zu
einer deutlichen Liefergradreduktion. Die verringerte Frischgaszufuhr
verlangsamt bzw. kontrolliert den Russabbrand. So können
kritische Temperaturen vermieden bzw. die zulässige Beladung
des Russpartikelfilters erhöht und damit die Regenerationsintervalle
verlängert werden.
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Wie
aus dem Verlauf der Graphen 68 und 70 ersichtlich
ist, stellt sich eine brennkraftmaschinenspezifische Grenzdrehzahl 72 ein,
wobei es je nach aktueller Drehzahl der Brennkraftmaschine beim Übergang
in den Schubbetrieb oder den schubbetriebsnahen Bereich günstiger
für eine Liefergradverschlechterung ist entlang des Graphen 70 zu
verstellen, d. h. das Einlassventilschließen nach spät
zu verschieben, während sich in einem Drehzahlbereich oberhalb
der Grenzdrehzahl 72 eine Verstellung entlang des Graphen 68 günstiger
auf die Liefergradverschlechterung auswirkt. Hierbei wird oberhalb
der Grenzdrehzahl 72 auf ein frühes Auslassventilschließen
abgestellt.
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Das
erfindungsgemäß Verfahren wird dann nicht durchgeführt,
wenn der Beladungszustand der Filtereinrichtung einwandfrei ist,
d. h. eine Regeneration nicht durchzuführen ist. Überschreitet
der Beladungszustand z. B. einen absoluten Gewichtswert von 3 Gramm,
so wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgelöst.
Der vorgebbare Wert, ab welchem das Verfahren ausgelöst
wird, kann aus einem Beladungsmodell errechnet werden, wobei jedoch
auch eine Kombination aus einem berechnenden Beladungsmodell in
Verbindung mit Differenzdrucksensoren stromauf und stromab der Filtereinrichtung
zur Anwendung kommen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005058281
A1 [0002]
- - DE 102004019830 A1 [0003, 0003]
- - DE 19581571 T1 [0004]
- - DE 102006016739 A1 [0005]