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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung
betrifft außerdem
eine Brennkraftmaschine.
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Moderne
Brennkraftmaschinen, die bei Kraftfahrzeugen und insbesondere bei
Nutzfahrzeugen, wie Baustellenfahrzeuge, Off-Road-Fahrzeugen und dergleichen,
zum Einsatz kommen, umfassen üblicherweise
eine Frischluftanlage zum Zuführen
von Frischluft zu Brennräumen
der Brennkraftmaschine sowie eine Abgasanlage zum Wegführen von
Abgas von den Brennräumen.
Bekannt ist außerdem
die Ausstattung von Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführanlage,
die Abgas aus der Abgasanlage in die Frischluftanlage rückführt, was
zur Reduzierung von Schadstoffemissionen genutzt wird. Ferner ist
es, insbesondere für
Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen, bekannt, in der Frischluftanlage
zumindest ein Zusatzventil stromauf von den Brennräumen zugeordneten
Einlassventilen anzuordnen. Diese Zusatzventile können z.
B. zur Realisierung einer Impulsaufladung genutzt werden. Des Weiteren
ist es grundsätzlich
möglich,
eine gewünschte
Abgasrückführrate,
die mit Hilfe der Abgasrückführanlage
realisiert werden soll, durch entsprechendes Betätigen des wenigstens einen
Zusatzventils einzustellen. Hierbei werden strömungsdynamische Effekte in
der Frischluftströmung
ausgenutzt, um Druckschwingungen zu erzeugen bzw. zu verstärken. Dabei
lassen sich diese Druckschwingungen hinsichtlich ihrer Amplituden
so positionieren, dass über
negative Druckamplituden das Druckgefälle zwischen einem mit der
Abgasanlage verbundenen Einlass der Abgasrückführanlage und einem mit der
Frischluftanlage verbundenen Auslass der Abgasrückführanlage eingestellt werden
kann. Über dieses
Druckgefälle
lässt sich
die Abgasrückführrate einstellen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art bzw. für eine Brennkraftmaschine
eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass umweltrelevante
Parameter, wie z. B. Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch,
verbessert sind.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das wenigstens eine
Zusatzventil dazu zu nutzen, in einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine
einen Umweltparameter der Brennkraftmaschine zu optimieren bzw.
für wenigstens
zwei Umweltparameter der Brennkraftmaschine einen optimierten Kompromiss
einzustellen. Bspw. kann für den
jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, der durch die aktuelle
Lastanforderung und durch die aktuelle Drehzahl definiert ist, ein
minimaler Kraftstoffverbrauch oder ein minimaler Stickoxidgehalt
im Abgas oder ein minimaler Partikelgehalt im Abgas eingestellt
werden. Ebenso lassen sich Kompromisse für zumindest zwei derartige
Umweltparameter realisieren. Die Vorteile liegen auf der Hand.
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Die
Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass durch Variieren einer
Phasenlage des wenigstens einen Zusatzventils relativ zur Rotation
einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. relativ zu deren Kurbelwellenwinkel,
unterschiedliche und von der Phasenlage abhängige Auswirkungen zumindest auf
die genannten Umweltparameter vorliegen. Es hat sich also gezeigt,
dass die Variation der Phasenlage des wenigstens einen Zusatzventils
nicht nur einen Einfluss auf die Abgasrückführrate hat, sondern auch auf
andere Parameter, nämlich
insbesondere zumindest auf die vorstehend genannten drei Umweltparameter.
Wichtig ist dabei die Erkenntnis, dass die einzelnen Parameter deutlich
unterschiedliche Abhängigkeiten
von der jeweiligen Phasenlage des wenigstens einen Zusatzventils
besitzen. Bspw. fällt ein
Minimum für
den Stickoxidgehalt mit einem Maximum für den Partikelgehalt zusammen,
während
der Kraftstoffverbrauch bei dieser Phasenlage weitgehend neutral
ist. Da die einzelnen Verläufe
der Abhängigkeiten
zwischen der Phasenlage und dem jeweiligen Umweltparameter außerdem asymmetrisch sind,
können
nun Kompromisse zwischen wenigstens zwei Parametern gefunden werden,
die sich bspw. durch einen signifikant reduzierten Kraftstoffverbrauch
bei deutlich reduziertem Stickoxidgehalt und nur mäßig ansteigendem
Partikelgehalt auszeichnen. An diesem Beispiel fällt zwar ein etwas erhöhter Partikelgehalt
an, der jedoch in modernen Abgasanlagen beherrschbar ist.
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Bei
herkömmlichen
Brennkraftmaschinen und Betriebsverfahren, bei denen eine Abgasrückführrate nicht
mit derartigen Zusatzventilen, sondern z. B. über eine Staudruckerhöhung in
der Abgasanlage stromab einer Abzweigstelle, in der ein Einlass
der Abgasrückführanlage
von der Abgasanlage abzweigt, realisiert wird, wird mittels entsprechender Versuche
und/oder Berechnungen ein Kennfeld erzeugt, das den einzelnen Betriebspunkten
der Brennkraftmaschine jeweils eine Abgasrückführrate zuordnet, die einen
optimalen Kompromiss der relevanten Umweltparameter zur Folge hat.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird nun nicht einfach dieses für die
Abgasrückführrate relevante
Kennfeld übernommen,
um in den einzelnen Betriebspunkten mit Hilfe einer entsprechenden
Ansteuerung des wenigstens einen Zusatzventils die jeweilige Abgasrückführrate gemäß dem Kennfeld
einzustellen, vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise über die Betätigung bzw. über die
Einstellung der Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils die Abgasrückführrate nicht
direkt eingestellt, vielmehr erfolgt über die Betätigung bzw. Phasenlage des
jeweiligen Zusatzventils eine gezielte Einstellung bzw. Optimierung
der Umweltparameter. Da jedoch die Betä tigung bzw. Phasenlage des
jeweiligen Zusatzventils auch die Abgasrückführrate beeinflusst, erfolgt
bei dieser Vorgehensweise auch indirekt eine Einstellung der Abgasrückführrate,
die in Verbindung mit den dynamischen Effekten des jeweiligen Zusatzventils
letztlich für
die Einstellung der genannten Umweltparameter verantwortlich ist.
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Da
die Erfindung somit von einer konventionellen Vorgehensweise zum
Einstellen einer Abgasrückführrate abweicht,
lassen sich signifikant verbesserte Umweltparameter realisieren.
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Das
jeweilige Zusatzventil ist entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform
so ausgestaltet, dass es bei seiner Betätigung einen zu den Brennräumen führenden
Frischluftpfad der Frischluftanlage abwechselnd öffnet und sperrt. Es handelt
sich also nicht um ein Proportionalventil, mit dessen Hilfe unterschiedliche Öffnungsweiten
für den
durchströmbaren
Querschnitt stationär
einstellbar sind, sondern um ein Ventil, das über seine Schaltfrequenz, also über seine Öffnungszeit
bzw. über
die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Schließstellungen
den Frischluftstrom im Frischluftpfad beeinflusst. Hierdurch lassen
sich dynamische Strömungseffekte,
wie z. B. Druckschwingungen, verstärken bzw. erzeugen.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher das jeweilige Zusatzventil
so ausgestaltet ist, dass es bei einer stationären Betätigung den Frischluftpfad mit
einer konstanten Korrelation zur Drehzahl einer Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine, also mit einer konstanten Korrelation zum Kurbelwellenwinkel
der Kurbelwelle öffnet
und sperrt. Zum Einstellen der Betätigung des wenigstens einen
Zusatzventils kann nun eine zwischen dem jeweiligen Zusatzventil
und der Kurbelwelle bzw. deren Kurbelwellenwinkel vorliegende Phasenlage
eingestellt werden. Bspw. kann die Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils
bzgl. des Kurbel wellenwinkels (KWW) so verstellt werden, dass ein
Schließzeitpunkt
des Zusatzventils in einem Bereich von 0° KWW bis z. B. 240° KWW frei
verschiebbar ist. Bei 0° KWW
liegt der Schnittpunkt zwischen einem in der Endphase seiner Schließbewegung
befindlichen Auslassventil und einem in der Anfangsphase seiner Öffnungsbewegung befindlichen
Einlassventil des relevanten Brennraums. Diese Vorgehensweise vereinfacht
die Ansteuerung bzw. Betätigung
des jeweiligen Zusatzventils, da lediglich die Phasenlage adaptiert
werden muss, während
die Schaltfrequenz stets die gleiche Korrelation bzw. Proportionalität zur Drehzahl
der Kurbelwelle besitzt, also synchron zur Drehzahl der Kurbelwelle
in der gleichen Korrelation zunimmt und abnimmt.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
stark vereinfachte, teilweise geschnittene perspektivische Darstellung
einer Anordnung von zwei Zusatzventilen,
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3 eine
Ansicht wie in 2, jedoch bei einem einzelnen
Zusatzventil,
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4 ein
stark vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung einer Phasenverschiebung
zwischen einem Zusatzventil und einer Kurbelwelle,
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5 ein
stark vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs
zwischen einer Phasenverschiebung des Zusatzventils und mehreren
Parametern der Brennkraftmaschine,
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6 ein
vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs
zwischen zwei Umweltparametern in einem stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine,
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7 ein
Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen der
Phasenlage des Zusatzventils und einem weiteren Parameter Brennkraftmaschine
in einem stationären
Betriebspunkt,
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8 ein
Diagramm zur Veranschaulichung eines transienten Betriebszustands
bei einer langsamen oder kleinen Veränderung,
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9 ein
Diagramm wie in 8, jedoch bei einer schnellen
oder großen
Veränderung.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Brennkraftmaschine 1, wie sie bei Kraftfahrzeugen
zur Anwendung kommen kann, z. B. einen Motorblock 2, der
mehrere Zylinder 3 enthält,
die jeweils einen Brennraum 4 umschließen und in denen ein nicht
näher bezeichneter
Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Im Beispiel sind rein exemplarisch
und ohne Beschränkung
der Allgemeinheit genau sechs derartige Zylinder 3 in Reihe
angeordnet. Jedem Brennraum 4 sind Gaswechselventile, nämlich Einlassventile 5 und
Auslassventile 6 zugeordnet, die im Motorblock 2 angeordnet
sind. Im Beispiel ist je Brennraum 4 ein Einlassventil 5 und
ein Auslassventil 6 vorgesehen. Es ist klar, dass auch
zwei oder mehr Einlassventile 5 bzw. zwei oder mehr Auslassventile 6 vorgesehen sein
können.
Die Brennkraftmaschine 1 dient bevorzugt zur Verwendung
als Fahrzeugantrieb für
Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen, und zwar zweckmäßig in schweren
Nutzfahrzeugen, wie z. B. Baustellenfahrzeugen und Off-Road-Fahrzeugen.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist eine Frischluftanlage 7 auf,
die zur Zuführung
von Frischluft zu den Brennräumen 4 dient.
Hierzu weist die Frischluftanlage 7 eine Frischluftleitung 8 auf,
die einen Frischluftpfad 9 enthält, der in 1 durch
Pfeile angedeutet ist. Außerdem
ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 10 ausgestattet,
die dazu dient, Abgas von den Brennräumen 4 wegzuführen. Sie
besitzt hierzu eine Abgasleitung 11, die einen Abgaspfad 12 enthält, der
durch Pfeile angedeutet ist. Außerdem
ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführanlage 13 ausgestattet,
mit der es möglich
ist, Abgas von der Abgasanlage 10 zur Frischluftanlage 7 zurückzuführen. Hierzu
besitzt die Abgasrückführanlage 13 zumindest
eine Rückführleitung 14.
Im Beispiel sind zwei derartige Rückführleitungen 14 vorgesehen.
Jede Rückführleitung 14 führt von
einer Abzweigstelle 15 zu einer Einleitstelle 16.
An der jeweiligen Abzweigstelle 15 ist die jeweilige Rückführleitung 14 eingangsseitig
mit der Abgasleitung 11 verbunden. An der jeweiligen Einleitstelle 16 ist
die jeweilige Rückführleitung 14 mit
der Frischluftleitung 8 verbunden.
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Im
Beispiel ist die Frischluftanlage 7 zumindest in einem
an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt
zweiflutig ausgestaltet, sodass die Frischluftleitung 8 in
diesem Bereich eine erste Flut 8' zur Versorgung der ersten drei
Brennräume 4 und
eine zweite Flut 8'' aufweist, die
zur Versorgung der zweiten drei Brennräume 4 dient. Analog
dazu ist auch die Abgasanlage 10 zumindest in einem an
die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt
zweiflutig ausgestaltet, sodass die Abgasleitung 11 zumindest
in einem an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt eine
den ersten Brennräumen 4 zugeordnete
erste Flut 11' und
eine den zweiten Brennräumen 4 zugeordnete
zweite Flut 11'' aufweist. Die
beiden Abgasrückführleitungen 14 sind
dementsprechend jeweils einer dieser Fluten 8', 8'' bzw. 11', 11'' zugeordnet.
Im Beispiel enthält
jede Rückführleitung 14 einen
Abgasrückführkühler 17.
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Ferner
ist die Brennkraftmaschine 1 im dargestellten Beispiel
aufgeladen, sodass zumindest eine Ladeeinrichtung vorgesehen ist.
Im Beispiel sind zwei Ladeeinrichtungen vorgesehen, nämlich eine erste
Ladeeinrichtung 18 und eine zweite Ladeeinrichtung 19.
Beide Ladeeinrichtungen 18, 19 sind im Beispiel
als Abgasturbolader ausgestaltet. Dementsprechend umfasst die erste
Ladeeinrichtung 18 einen ersten Verdichter 20,
der in der Frischluftleitung 8 angeordnet ist und der über eine
erste Antriebswelle 21 mit einer ersten Turbine 22 antriebsverbunden ist,
die in der Abgasleitung 11 angeordnet ist. Die zweite Ladeeinrichtung 19 umfasst
dementsprechend einen zweiten Verdichter 23, der in der
Frischluftleitung 8 angeordnet ist und über eine zweite Antriebswelle 24 mit
einer zweiten Turbine 25 antriebsverbunden ist, die in
der Abgasleitung 11 angeordnet ist. Dabei ist der zweite
Verdichter 23 stromab des ersten Verdichters 20 angeordnet,
während
die zweite Turbine 25 stromauf der ersten Turbine 22 angeordnet
ist. Zwischen dem ersten Verdichter 20 und dem zweiten
Verdichter 23 ist ein erster Ladeluftkühler 26 in der Frischluftleitung 8 angeordnet.
Zwischen dem zweiten Verdichter 23 und den Brennräumen 4 ist
ein zweiter Ladeluftkühler 27 in
der Frischluftleitung 8 angeordnet.
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Die
Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit wenigstens einem
Zusatzventil 28 ausgestattet. Im Beispiel der 1 sind
zwei derartige Zusatzventile 28 vorgesehen. Das jeweilige
Zusatzventil 28 ist in der Frischluftanlage 7 stromauf
der Einlassventile 5 angeordnet. Im Beispiel ist in den
beiden Fluten 8', 8'' jeweils ein derartiges Zusatzventil 8 angeordnet.
Jedes Zusatzventil 28 ist dadurch drei Brennräumen 4 zugeordnet.
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2 zeigt
ein Beispiel für
eine Zusatzventileinrichtung 29, die zwei Zusatzventile 28 aufweist, die über einen
gemeinsamen Antrieb 30 betätigt werden können. Erkennbar
umfasst die Zusatzventileinrichtung 29 zwei gasdicht voneinander
getrennte Leitungsabschnitte 31, mit denen die Zusatzventileinrichtung 29 in
die beiden Fluten 8', 8'' der Frischluftanlage 7 eingebunden
werden kann. Das jeweilige Zusatzventil 28 enthält im jeweils
zugeordneten Kanalabschnitt 31 ein Ventilglied 32,
das im Beispiel durch eine Klappe gebildet ist, die insbesondere
auch als Schmetterlingsklappe bezeichnet werden kann. Die Ventilglieder 32 sind
drehfest auf einer gemeinsamen Welle 33 angeordnet, die
mit dem Antrieb 30 antriebsverbunden ist. Der Antrieb 30 ist
bevorzugt dazu ausgestaltet, die Ventilglieder 32 rotieren
zu lassen. Die Drehzahl des Antriebs 30 bzw. der Ventilglieder 32 entspricht
bevorzugt genau der halben Drehzahl einer in 1 angedeuteten
Kurbelwelle 34 der Brennkraftmaschine 1.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer derartigen Zusatzventileinrichtung 29, die abweichend
von der in 2 gezeigten Ausführungsform nur
ein einziges Zusatzventil 28 aufweist. Dementsprechend
umfasst diese Ausführungsform
auch nur einen Kanalabschnitt 31 und ein Ventilglied 32,
das im Kanalabschnitt 31 angeordnet ist und mit dem Antrieb 30 über die
Welle 33 antriebsverbunden ist.
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Die
in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen
veranschaulichen Beispiele für
geeignete Zusatzventile 28, die bei ihrer Betätigung den jeweiligen
Frischluftpfad 9 abwechselnd öffnen und sperren können. Bspw.
rotiert das jeweilige Ventilglied 32 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1,
wobei es mit jeder vollständigen
Umdrehung zweimal eine Schließstellung
durchfährt,
während
es zwischen zwei aufeinander folgenden Schließstellungen offen ist. Der
zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Schließstellungen
oder Schließpha sen
definiert eine Schaltfrequenz des jeweiligen Zusatzventils 28.
Zweckmäßig ist
das jeweilige Zusatzventil 28 synchron zur Kurbelwelle 34 betätigt, sodass
zumindest bei einer stationären
Betätigung
des jeweiligen Zusatzventils 28 eine konstante Korrelation
zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 34 und der Schaltfrequenz
des jeweiligen Zusatzventils 28 vorliegt.
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Die
vorstehend genannte Korrelation zwischen Kurbelwelle 34 und
Zusatzventil 28 wird mit Bezug auf das Diagramm der 4 näher erläutert. In
diesem Diagramm zeigt die Abszisse den Kurbelwellenwinkel in Winkelgraden,
kurz °KWW.
Die Ordinate zeigt den Hub der Gaswechselventile. In das Diagramm
sind eingetragen eine Auslassventilerhebungskurve 35 sowie
eine Einlassventilerhebungskurve 36. Die beiden Erhebungskurven 35, 36 überschneiden
sich in einem kleinen Bereich. Der zugehörige Schnittpunkt ist gezielt
bei 0° KWW
angeordnet und entspricht im Übrigen
einem oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung des dem betrachteten
Brennraum zugeordneten Kolbens.
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Ferner
enthält
das Diagramm der 4 in Form einer vertikalen Linie
einen Schließzeitpunkt 37 des
dem betrachteten Brennraum 4 zugeordneten Zusatzventils 28,
das in 4 ebenfalls zur Veranschaulichung symbolisch dargestellt
ist. Dieser Schließzeitpunkt 37 befindet
sich bei einer stationären
Betätigung
des Zusatzventils 28 immer in der gleichen Relation zur
Kurbelwelle 34, steht also stets beim gleichen Kurbelwellenwinkel.
Im Beispiel befindet sich der Schließzeitpunkt 37 bei
etwa 150° KWW. Die
relative Lage des Schließzeitpunkts 37 relativ zum
Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 34 definiert eine Phasenlage
zwischen dem Zusatzventil 28 und der Kurbelwelle 34.
Entsprechend einem Doppelpfeil 38 ist diese Phasenlage
verstellbar. Der Schließzeitpunkt 37 ist
sowohl in Richtung kleinerer Kurbelwellenwinkel als auch in Richtung
größerer Kurbelwellenwinkel
verstellbar, um so die Phasenlage zwischen Zusatzventil 28 und
Kurbelwelle 34 zu verändern.
Ein. Pfeil 39 deutet an, dass der Schließzeitpunkt 37 bspw.
von ei ner Ausgangsphasenlage, bei welcher der Schließzeitpunkt 37 bei
0° KWW liegt, also
deckungsgleich zur Ordinate verläuft,
bis zur gezeigten Position verschiebbar ist, bei welcher der Schließzeitpunkt 37 bei
etwa 150° KWW
liegt. Es ist klar, dass grundsätzlich
auch größere Kurbelwellenwinkel
für den
Schließzeitpunkt 37 einstellbar
sind, z. B. kann eine Verstellbarkeit bis 240° KWW vorgesehen sein.
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Im
Diagramm der 5 ist auf der Abszisse die Phasenlage
für den
Schließzeitpunkt 37 in °KWW bzw.
in °CA wiedergegeben.
Die Ordinate enthält übereinander
die Werte für
einen Partikelgehalt (PM) der Abgase, die Werte für einen
Stickoxidgehalt (NOx) der Abgase, die Werte für einen Kraftstoffverbrauch
(BSFC) der Brennkraftmaschine sowie die Werte für eine Abgasrückführrate (EGR).
Dementsprechend enthält
das Diagramm der 5 einen Verlauf 40,
der die Abhängigkeit
des Partikelgehalts im Abgas von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht,
einen Verlauf 41, der die Abhängigkeit des Stickoxidgehalts
von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht,
einen Verlauf 42, der die Abhängigkeit des Kraftstoffverbrauchs
von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht,
und einen Verlauf 43, der die Abhängigkeit der Abgasrückführrate von
der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht. Diese
Zusammenhänge gelten
dabei in einem stationären
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1, der durch eine
stationäre
Last und eine Stationäre
Drehzahl definiert ist.
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Erkennbar
sind die einzelnen Verläufe 40 bis 43 völlig unterschiedlich
und teilweise gegenläufig. Beispielhaft
ist im Diagramm der 5 für den Schließzeitpunkt 37 eine
erste Phasenlage a sowie eine zweite Phasenlage b eingetragen. Der
jeweilige Schließzeitpunkt
wird dementsprechend mit 37a bzw. 37b bezeichnet.
Beim ersten Schließzeitpunkt 37a besitzt
der Partikelgehalt gemäß dem Verlauf 40 ein Maximum 44,
während
der Stickoxidgehalt gemäß dem Verlauf 41 dort
ein Minimum 45 besitzt. Gleichzeitig stellt sich für den Kraftstoffverbrauch
im Vergleich zu einer mit unterbrochener Linie eingetragenen Basis
gemäß dem Verlauf 42 quasi
keine Veränderung
ein, während
die Abgasrückführrate gemäß dem Verlauf 43 einen
vergleichsweise hohen Wert nimmt. Eine derartige Phasenlage kann
für einen Volllastbetrieb
bzw. für
hohe Drehzahlen von Vorteil sein, wenn aufgrund der hohen Abgastemperaturen permanent
eine ausreichende Regeneration eines Partikelfilters realisiert
werden kann, der die vermehrt auftretenden Russpartikel aufnimmt.
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Die
zweite Phasenlage b entsprechend dem zweiten Schließzeitpunkt 37b symbolisiert
einen optimierten Kompromiss für
den Partikelgehalt, den Stickoxidgehalt und den Kraftstoffverbrauch.
Da die genannten Parameter für
die Umwelt eine erhöhte Bedeutung
haben, werden sie im Folgenden auch als Umweltparameter bezeichnet.
Es ist klar, dass neben den drei genannten Umweltparametern auch
weitere Umweltparameter mit Hilfe der Phasenlage des Zusatzventils 28 beeinflussbar
sein können.
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Grundsätzlich kann
die Brennkraftmaschine 1 mit Hilfe einer in 1 vereinfacht
dargestellten Steuereinrichtung 46 so betrieben werden,
dass eine gewünschte
Abgasrückführrate dadurch
eingestellt wird, dass mit Hilfe der Steuereinrichtung 46 das
jeweilige Zusatzventil 28 entsprechend betätigt wird. Der
in 5 erläuterte
Zusammenhang zeigt, dass zum Einstellen der gewünschten Abgasrückführrate entsprechend
dem Verlauf 43 lediglich die zugehörige Phasenlage für das Zusatzventil 28 eingestellt werden
muss. Zielgröße dieser
Regelung oder Einstellung ist dann die Abgasrückführrate. Dies kann für bestimmte
Betriebszustände
bzw. Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 1 zweckmäßig sein.
Die hier vorgestellte Brennkraftmaschine 1 bzw. das hier
vorgestellte Betriebsverfahren geht jedoch einen anderen Weg. Zielgröße für die Betätigung des
jeweiligen Zusatzventils 28 ist hier nicht die Abgasrückführrate, sondern
zumindest einer der vorstehend exemplarisch genannten Umweltparameter
der Brennkraftmaschine 1. Bspw. kann vorgesehen sein, die
Betätigung
des jeweiligen Zusatzventils 28 bzw. dessen Phasenlage
im jeweiligen Betriebspunkt so einzustellen, dass sich für den Stickoxidgehalt
ein Minimum ergibt. Dies entspricht in 5 der ersten
Phasenlage a. Ebenso kann erwünscht
sein, den Partikelgehalt im Abgas unter einem vorbestimmten Grenzwert zu
halten. Gemäß 5 ist
dann eine andere Phasenlage für
das jeweilige Zusatzventil 28 einzustellen. Ebenso kann
erwünscht
sein, eine bestimmte Reduzierung für den Kraftstoffverbrauch zu
realisieren, was entsprechend 5 wiederum
ein anderes Timing für
den Schließzeitpunkt 37 des
jeweiligen Zusatzventils 28, also eine andere Phasenlage,
erfordert. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher für den jeweiligen
aktuellen Betriebspunkt die Betätigung
bzw. die Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 so
eingestellt wird, dass sich für
zumindest zwei der Umweltparameter ein optimaler Kompromiss einstellt.
In 5 ist eine derartige Kompromisseinstellung durch
die zweite Phasenlage b angedeutet. Die zugehörige Abgasrückführrate ergibt sich dann von
selbst.
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Eine
derartige Verschiebung der Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 kann
bspw. dadurch realisiert werden, dass der zugehörige Antrieb 30 kurzzeitig
mit erhöhter
oder reduzierter Geschwindigkeit betrieben wird, um einen entsprechenden
Vorlauf oder Nachlauf für
die Phasenlage des Ventilglieds 32 relativ zur Kurbelwelle 34 zu
realisieren. Ebenso können übergeordnete
Phasensteller vorgesehen sein, welche die Winkellage zwischen Drehantrieb 30 und Antriebswelle 32 verändern können, um
dadurch die Phasenlage zu variieren. Während der Veränderung der
Phasenlage arbeitet das jeweilige Zusatzventil 28 instationär. Die Adaption
der Phasenlage kann dabei dynamisch durchgeführt werden, also während des Betriebs
der Brennkraftmaschine 1. Dabei kann die Anpassung der
Phasenlage sehr schnell, also innerhalb sehr kurzer Zeit durchgeführt werden.
Bspw. kann eine Phasenänderung
in einer Zeit durchgeführt werden,
die kleiner ist als 360° KWW,
also innerhalb einer vollständigen
Umdrehung der Kurbelwelle 34 liegt.
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6 zeigt
in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Stickoxidgehalt NOx
(Abszisse) und Kraftstoffverbrauch be sowie Partikelgehalt PM (Ordinate)
bei einem stationären
Betrieb der Brennkraftmaschine 1. Mit unterbrochener Linie
sind dabei die Verläufe 47 bzw. 48 ohne
die Verwendung des Zusatzventils 28 eingetragen. Erkennbar
führt eine Reduzierung
der Stickoxidwerte zwangsläufig
zu einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch. Gleichzeitig steigt die Partikelbelastung an.
Mit durchgezogener Linie sind dagegen die Verläufe 47' bzw. 48' eingetragen, die sich realisieren
lassen, wenn das jeweilige Zusatzventil 28 mit entsprechender
Phasenlage betätigt wird.
Erkennbar lässt
sich die Stickoxidemission reduzieren, ohne dass dadurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
Gleichzeitig kann dabei die Zunahme des Partikelgehalts reduziert
werden.
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Dieser
Zusammenhang kann, insbesondere außerhalb eines Volllastbereichs
der Brennkraftmaschine 1, zur Absenkung der Schadstoffemissionen genutzt
werden. Um im jeweiligen Betriebspunkt die Motorlast und die Drehzahl
konstant halten zu können,
werden Einspritzparameter, wie z. B. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge
sowie die Anzahl der einzelnen Injektionen, variiert, wodurch eine
signifikante Reduzierung der Stickoxidemissionen realisierbar ist.
Damit die mit den adaptierten Einspritzparametern einhergehende
Zunahme der Partikelemission sowie des Kraftstoffverbrauchs reduziert
bzw. eliminiert werden kann, erfolgt eine entsprechend adaptierte
Betätigung
des jeweiligen Zusatzventils 28.
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Entsprechend
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann für einen
Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 oder ein Schwachlastbetrieb
bei geringen Drehzahlen vorgesehen sein, die Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28 so
einzustellen, dass dadurch eine Erhöhung der Abgastemperatur realisiert
werden kann. 7 veranschaulicht den Zusammenhang
zwischen einer Abgastemperatur TAbg (Ordinate)
und der Phasenlage (Abszisse), die in 7 mit Phase
SLV bezeichnet ist. Dementsprechend gibt ein Verlauf 49 die
Abhängigkeit
der Abgastemperatur von der Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 an,
wobei von gleichen bzw. konstanten Betriebspunkten ausgegangen wird.
Ein Pfeil 50 deutet eine Temperaturanhebung an, die im
Abgas durch Einstellen einer entsprechenden Phasenlage am jeweiligen
Zusatzventil 28 realisierbar ist. Bspw. kann hierdurch
eine Temperaturerhöhung
von etwa 50° oder
mehr realisiert werden, ohne dass sich eine signifikante Erhöhung des
Kraftstoffverbrauchs einstellt, um die Last zu halten. Diese Vorgehensweise ist
auch im Nommalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 durchführbar, wenn
der jeweilige Betriebspunkt zu Abgastemperaturen führt, die
für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
von Abgasreinigungseinrichtungen (Partikelfilter, Katalysatoren)
zu klein sind.
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8 veranschaulicht
einen instationären Betrieb
der Brennkraftmaschine 1, bei dem ein Übergang von einem ersten Betriebspunkt
BP1 über
einen zweiten Betriebspunkt BP2 zu einem dritten Betriebspunkt BP3
erfolgt. Die Betriebspunkte BP unterscheiden sich durch Last Md
und Drehzahl n. Im Beispiel der 8 erfolgt
die Betriebszustandsänderung mit
einer vergleichsweise kleinen Laständerungsgeschwindigkeit und/oder
mit einer kleinen Drehzahländerungsgeschwindigkeit.
Die jeweilige Änderungsgeschwindigkeit
bleibt dabei unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes. In diesem
Fall werden die aufeinander folgenden Betriebspunkte BP1 bis BP3 quasistationär als eine
Abfolge stationärer
Betriebspunkte betrachtet. Dabei wird für jeden einzelnen stationären Betriebspunkt
jeweils das Optimum für
den jeweiligen Umweltparameter bzw. der jeweils optimale Kompromiss
für wenigstens
zwei dieser Umweltparameter eingestellt. Dies ist mit Hilfe der
hier verwendeten Zusatzventile 28 möglich, da diese extrem dynamisch
arbeiten und innerhalb einer Umdrehung der Kurbelwelle 34 eine
neue Phasenlage einstellen können.
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9 zeigt
ebenfalls einen instationären
Betrieb der Brennkraftmaschine 1, bei dem jedoch die Laständerungsgeschwindigkeit
bzw. die Drehzahländerungsgeschwindigkeit
vergleichsweise groß ist und
somit oberhalb des vorgenannten vorbestimmten Grenzwerts liegt.
Eine derartige Laständerung bzw.
Drehzahländerung
wird auch als Lastsprung oder Drehzahlsprung bezeichnet. In diesem
Fall kann vorübergehend
die Betätigung
des jeweiligen Zusatzventils 28 so eingestellt werden,
dass sich für diesen
Betriebszustandssprung eine minimale Abgasrückführrate einstellt. In der Folge
steht den Brennräumen 4 eine
maximale Luftmasse zur Verfügung,
was das Anspringverhalten der Brennkraftmaschine 1 unterstütz. Um das
Beschleunigungsvermögen
der Brennkraftmaschine 1 zusätzlich steigern zu können, kann
die Abgasrückführanlage 13 entsprechend 1 mit
wenigstens einem Sperrventil 51 ausgestattet sein, mit
dessen Hilfe ein in der jeweiligen Rückführleitung 14 geführter, durch
Pfeile angedeuteter Rückführpfad 52 gesperrt
werden kann. Da somit kein Druckausgleich über die Abgasrückführung erfolgt,
steht wieder mehr Luft zur Verfügung. Darüber hinaus
ist es grundsätzlich
möglich,
das jeweilige Zusatzventil 28 optimal so anzusteuern, dass sich
eine Impulsaufladung der Brennräume 4 ergibt. Hierbei
werden strömungsdynamische
Effekte ausgenutzt, um die Luftmasse in den Brennräumen 4 zu vergrößern.
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Durch
die mit Hilfe einer entsprechenden Ansteuerung des jeweiligen Zusatzventils 28 reduzierte Abgasrückführrate sowie
ggf. in Verbindung mit den zusätzlich
genannten, optionalen Maßnahmen,
kann ein sog. Russstoß,
der bei einem derartigen Lastsprung auftritt, wenn die Brennkraftmaschine 1 herkömmlich betrieben
wird, reduziert werden. Bezugnehmend auf 9 kann somit
eine sprungartige Betriebszustandsänderung vom ersten Betriebspunkt BP1
zum zweiten Betriebspunkt BP2 mit hoher Dynamik realisiert werden,
ohne dass dabei der sonst übliche
Russstoß entsteht.
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Die
vorstehend beschriebene Vorgehensweise soll bevorzugt dann angewandt
werden, wenn ein Lastsprung bzw. Drehzahlsprung, ausgehend von einem
Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1, durchgeführt werden
soll. Befindet sich die Brennkraftmaschine 1 jedoch schon
in einem oberen Lastbereich, der noch einen Drehzahlsprung zulässt, und/oder
in einem oberen Drehzahlbereich, der noch einen Lastsprung zulässt, kann
das nachfolgend beschriebene Betriebsverfahren bevorzugt werden.
In diesem Fall wird das jeweilige Zusatzventil 28 so betätigt bzw.
hinsichtlich seiner Phasenlage so eingestellt, dass sich für den Stickoxidgehalt
ein Minimalwert einstellt. Zwar kommt es bei einer derartigen Einstellung
der Phasenlage entsprechend dem Diagramm der 5 zu einem
starken Anstieg der Partikelemission, diese kann jedoch im Volllastbereich ohne
weiteres toleriert werden, da moderne Abgasbehandlungssysteme mit
Partikelfiltern arbeiten, die anfallenden Partikel aufnehmen. Da
ist eine rasche Zusetzung des Partikelfilters nicht zu erwarten,
denn bei diesem hohen Lastbereich bzw. Drehzahlbereich herrschen
in dem Abgas vergleichsweise hohe Temperaturen, sodass permanent
eine passive Regeneration des Partikelfilters, insbesondere durch
Abbrand der Russbeladung, erfolgt.
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Zumindest
eine der Turbinen 22, 25, kann entsprechend 1 variabel
ausgestaltet sein. Dabei sind Turbinen mit Wastegate oder mit variabler Turbinengeometrie 53 einsetzbar.
Im Beispiel ist nur die zweite Turbine 25 mit einer solchen
variablen Turbinengeometrie 53 ausgestattet. Die variable
Turbinengeometrie 53 ermöglicht eine Veränderung
des Einströmquerschnitts
der jeweiligen Turbine 25. Auf diese Weise kann zum einen
bei einem reduzierten Abgasmassenstrom die jeweilige Turbine 25 auf
einer erhöhten
Drehzahl gehalten werden, um so im Falle einer Lastanforderung das
sog. Turboloch, also die Reaktionszeit des Abgasturboladers 19 zu
reduzieren. Zum anderen kann mit Hilfe der variablen Turbi nengeometrie 21 der
Staudruck im Abgas stromauf der jeweiligen Turbine 25 vergrößert werden,
wodurch das Druckgefälle
zwischen Abzweigstelle 15 und Einleitstelle 16 für die Effektivität der Abgasrückführanlage 13 erhöht werden
kann. Hierbei steigt jedoch der Abgasgegendruck, gegen den die Brennkraftmaschine 1 arbeitet.
In der Folge nimmt bei gleicher Motorlast der Kraftstoffverbrauch
zu.
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Bevorzugt
wird nun ein Betriebsverfahren, das auch in Betriebspunkten mit
reduzierter Last und/oder mit reduzierter Drehzahl die variable
Turbinengeometrie 53 zum Einstellen eines vergleichsweise
großen
Einströmquerschnitts
betätigt.
In der Folge nimmt der Abgasgegendruck ab. Eine damit üblicherweise
einhergehende Reduzierung der Abgasrückführrate kann durch eine entsprechende
Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 entsprechend 5 ausgeglichen
werden. In der Folge kann im jeweiligen Betriebspunkt eine hinreichend
große
Abgasrückführrate auch
ohne Gegendruckerhöhung über die
variable Turbinengeometrie 53 realisiert werden. Somit
kann der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 1 gesenkt
werden.
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Für Turbinen
mit Wastegate gelten analoge Zusammenhänge, da der durch das Wastegate
beeinflusste Abgasgegendruck die Abgasrückführrate steuert bzw. beeinflusst.
In 1 ist exemplarisch die erste Turbine 22 mit
einem Wastegate 54 zum Steuern eines die Turbine 22 zumindest
teilweise umgehenden Bypasses 55 ausgestattet. Durch Schließen des
Wastegates 54 steigt der Abgasdruck und die Abgasrückführrate nimmt
zu.
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Bei
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die in der Abgasanlage 10 zumindest
eine Turbine 22 aufweist, die mit einem Wastegate 54 zum
Steuern eines die Turbine 22 zumindest teilweise umgehenden
Bypasses 55 ausgestattet ist, kann in Betriebspunkten mit
reduzierter Last und/oder Drehzahl das jeweilige Wastegate 54 so
betätigt
werden, dass sich ein relativ großer Strömungsquerschnitt für den Bypass 55 einstellt,
während
das wenigstens eine Zusatzventil 28 so betätigt wird,
dass sich die gewünschte
Abgasrückführrate einstellt.