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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem
Arbeitszylinder, dem mindestens ein Einlassventil zugeordnet ist,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
wobei zur dynamischen Aufladung der Brennkraftmaschine Impulsladungsventile aktiviert
und in einem Dynamikbetrieb derart betrieben werden, dass sich eine
Füllungserhöhung von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine
ergibt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
9.
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Aus
dem Artikel
"Impulsaufladung und Laststeuerung
von Hubkolbenmotoren durch ein Lufttaktventil", MTZ 12/2001,
Jahrgang 62, Seiten 998 bis 1009 sowie aus der
WO 2005/035955 A1 sind
sogenannte Impulsladungsventile bekannt, die z. B. als Lufttaktventile
(LTV) beziehungsweise Impulsklappen oder Taktventile ausgebildet
sind. Diese wurden entwickelt, um die Zylinderfüllung ohne
Verwendung eines Aufladeaggregates erhöhen zu können.
Hierzu werden diese Impulsladungsventile, die in den Lufteinlasskanälen
eines jeden Zylinders vor den Gaswechseleinlassventilen (EV) verbaut
sind, derart getaktet, dass zum Schließpunkt der Gaswechseleinlassventile
eine Überdruckwelle an den Gaswechseleinlassventilen anliegt.
Durch diese Überdruckwelle wird die Dichte des Mediums
im Zylinder erhöht, wodurch die Füllung steigt.
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Nach
den Gesetzen der Thermodynamik steigt hierdurch allerdings auch
die Temperatur des Mediums. Da im Zylinder während des
Verdichtungstaktes nicht mehr gekühlt werden kann, führt
die im Motor stattfindende innere Verdichtung auf Basis eines höheren
Temperaturniveaus zu Verdichtungsbeginn (= Einlass schließt
Zeitpunkt) auch zu einer erhöhten Temperatur bei Verdichtungsende.
Der Zustand des Mediums im Zylinder bei Verdichtungsende beeinflusst
maßgeblich den anschließenden Verbrennungstakt.
Speziell beim Ottomotor führen hohe Temperaturen bei Verdichtungsende
zu erhöhter Klopfneigung, weshalb der Zündwinkel
in Bereiche gelegt werden muss, die das Risiko zu klopfender Verbrennung
vermeiden. Diese Bereiche liegen jedoch i. A. außerhalb
des Bereiches, in dem ein wirkungsgradoptimaler Betrieb des Motors
möglich wäre. Speziell bei aufgeladenen Ottomotoren
verschärft sich diese Problematik aufgrund der stark erhöhten Füllung
gegenüber frei ansaugenden Motoren. Daher ist es speziell
bei aufgeladenen Ottomotoren notwendig, die Mediumtemperatur im
Zylinder bei Verdichtungsende so kühl wie möglich
einzustellen.
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Mittels
Abgasturbolader (ATL) aufgeladene Motoren zeigen einen prinzipiell
verzögerten Ladedruckaufbau, das sog. Turboloch. Dies folgt
aus der Tatsache, dass speziell beim gedrosselt betriebenen Ottomotor
der an der Turbine zur Verfügung stehende Abgasmassenstrom
sehr gering ist und damit wenig Abgasenergie als Turbinenantriebsleistung
zur Verfügung steht. Erst mit steigendem Saugrohrdruck nimmt
auch die zur Verfügung stehende Abgasenergie hinter dem
Motor zu. Bei Lastanforderungen ergibt sich also immer eine Ziellücke
zwischen dem erforderlichen Soll-Massenstrom durch den Motor und dem – in
den ersten Momenten – tatsächlichen Ist-Massenstrom.
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Aus
der bereits genannten
WO
2005/035955 A1 ist eine gattungsgemäße
Brennkraftmaschine bekannt mit wenigstens einem Arbeitszylinder,
dem wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist, und mit einem ein
Saugrohr aufweisenden Ansaugpfad für Luft, welcher für
den Arbeitszylinder in jeweils wenigstens einen Einlasskanal mit
Einlassventil mündet, wobei in dem Ansaugpfad für
Luft stromauf der Einlassventile ein Impulsladungsventil angeordnet ist.
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Aus
der
DE 103 46 005
B4 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Impulsladungsventile in
zylinderindividuellen Saugrohrkanälen angeordnet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und
ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich der Momentenabgabe der
Brennkraftmaschine insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und
durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 9 gekennzeichneten
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass diese mindestens zwei Arbeitszylinder aufweist und die Einlassventile
entlang einer gedachten Linie angeordnet sind, welche in einer ersten
Ebene im Raum liegt und die Impulsladungsventile in einer zweiten Ebenen
liegend angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Ebene parallel
zueinander verlaufen und einen Abstand von ca. 100 mm bis 750 mm
aufweisen.
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Dies
hat den Vorteil, dass bei kompakter Bauweise eine hohe Wirkung der
Lufttaktventile für eine dynamische Aufladung der Brennkraftmaschine erzielt
wird.
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Im
Sinne vorliegender Erfindung können, sofern die Gaswechselventile
als übliche Pilzventile ausgebildet sind, die Ventilschäfte
der Einlassventile in der ersten Ebene liegen, es ist jedoch auch
möglich, dass die gedachte Linie lediglich durch die Mittelpunkte
der Teller der Pilzventile verläuft und die durch die Ventilschäfte
aufgespannte Ebene verschieden von dieser ersten Ebene ist. Es hat
sich als gasdynamisch besonders vorteilhaft erwiesen, diese beiden
Ebenen einen Abstand von ca. 100 bis ca. 750 mm aufweisen zu lassen.
Hierbei haben sich, in Abhängigkeit des Hubvolumens, der
Zylinderanzahl und der Tatsache, ob ein weiteres Aufladeaggregat vorhanden
ist oder nicht besonders günstige, die Momentenabgabe erhöhende
Aufladeeffekte eingestellt.
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Zweckmäßigerweise
ist eine Aufladeeinrichtung vorgesehen, die einen Verdichter in
einem Frischluftstrang der Brennkraftmaschine stromauf des Saugrohres
aufweist. Hierbei ist die Aufladevorrichtung beispielsweise ein
Abgasturbolader (ATL), ein mechanischer Lader (ML), ein elektrisch
angetriebener, mechanischer Lader (eML) oder ein elektrisch angetriebener
Turboverdichter.
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Zum
Androsseln der Brennkraftmaschine in vorbestimmten Betriebszuständen
ist in dem Frischluftstrang der Brennkraftmaschine zwischen dem Verdichter
und dem Saugrohr eine Drosselklappe angeordnet.
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Zum
zusätzlichen Abkühlen der Ladeluft ist in dem
Frischluftstrang der Brennkraftmaschine zwischen dem Verdichter
und dem Saugrohr mindestens ein Ladeluftkühler angeordnet.
Hierbei ist beispielsweise ein erster Ladeluftkühler zwischen
dem Verdichter und der Drosselklappe und/oder ein zweiter Ladeluftkühler
zwischen der Drosselklappe und dem Saugrohr angeordnet.
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Eine
besonders hohe Kühlleistung bei gleichzeitig wenig Bauraumbedarf
erzielt man dadurch, dass in das Saugrohr ein Ladeluftkühler
integriert ist.
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Ferner
ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass in Abhängigkeit von einer Differenz aus einem Sollladedruck
und einem Istladedruck und/oder einem Lastanforderungsgradienten
der Dynamikbetrieb für als Lufttaktventile ausgebildete
Impulsladungsventile aktiviert wird und anschließend dieser
Dynamikbetrieb beendet wird, sobald ein Zielmoment und/oder eine
Zielfüllung erreicht wird.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Lufttaktventile nur in solchen Betriebsphase
eine Aufladung der Brennkraftmaschine unterstützen, in
denen dies unbedingt notwendig ist. Eine zu starke Überhöhung
einer Temperatur der Füllung in den Arbeitszylindern durch
einen länger andauernden Betrieb der Lufttaktventile ist
dadurch wirksam vermieden.
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Eine
besonders effektive Aufladung mittels des Dynamikbetriebes erzielt
man dadurch, dass als Stell-/Regelparameter für eine Taktung
der Lufttaktventile im Dynamikbetrieb ein Saugrohrdruck, eine Saugrohrtemperatur,
eine Motordrehzahl und/oder eine Abweichung zwischen einer Soll-Füllung
und einer Ist-Füllung verwendet wird.
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Um
zu vermeiden, dass der Dynamikbetrieb in für diese Art
der Aufladung ungünstigen Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine erfolgt, wird der Dynamikbetrieb der Lufttaktventile
unterdrückt, wenn sich eine Motordrehzahl der Brennkraftmaschine
außerhalb eines vorbestimmten Motordrehzahlbereiches befindet.
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Zweckmäßigerweise
wird der Dynamikbetrieb aktiviert, wenn die Differenz aus dem Sollladedruck
und dem Istladedruck einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet
und/oder wenn der Lastanforderungsgradienten einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
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2 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
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3 eine
dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung und
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4 eine
bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Verfahrens in einem schematischen Ablaufdiagramm.
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Die
in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst
einen Motorblock 10 mit Arbeitszylindern 12, wobei
jedem Arbeitszylinder zwei Einlassventile 14 zugeordnet
sind, und einen Abgasturbolader (ATL) 16 mit einem Verdichter 18 und
einer Turbine 20. In einem Frischluftstrang 22 der
Brennkraftmaschine ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft
gesehen folgendes angeordnet, der ATL-Verdichter 18, ein
erster Ladeluftkühler 24, eine Drosselklappe DLK 26,
ein zweiter Ladeluftkühler 28 und ein Saugrohr
mit zylinderindividuellen Saugrohrkanälen 30.
In jedem Saugrohrkanal 30 ist ein Lufttaktventil (LTV) 32 angeordnet.
In einem Abgasstrang 33 der Brennkraftmaschine ist in Strömungsrichtung von
Abgas gesehen folgendes angeordnet, ein Abgaskrümmer 34,
die ATL-Turbine 20 mit einem ATL-Wastegate 36 und
ein Katalysator 38.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 40 eine erste Ebene im Raum, in der alle
Einlassventile 14 angeordnet sind und das Bezugszeichen 42 eine zweite
Ebene im Raum, in der alle Lufttaktventile angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind
diese beiden Ebenen 40, 42 parallel zueinander
angeordnet und weisen einen Abstand 44 von ca. 100 mm bis
ca. 750 mm auf.
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Die
Einlassventile 14 sind als Pilzventile ausgebildet, wobei
eine hier nicht separat gezeigte, in der ersten Ebene 40 liegende
Gerade die Mittelpunkte aller Einlassventile 14 miteinander
verbindet.
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In 2 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie
in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die
obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Bei der zweiten
Ausführungsform gemäß 2 ist
als Aufladeeinrichtung anstatt eines ATL ein mechanischer Lader
(ML) vorgesehen, der keine Turbine im Abgasstrang 33 aufweist,
sondern der Verdichter 18 wird direkt oder indirekt über entsprechende
Umlenkungen von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben.
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In 3 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie
in 1 und 2, so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 und 2 verwiesen
wird. Bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 ist
als Aufladeeinrichtung anstatt eines ATL oder ML ein elektrisch
von einem Elektromotor 46 angetriebener, mechanischer Lader
(eML) oder wahlweise ein elektrisch angetriebener Turboverdichter
vorgesehen. Auch dieser weist dementsprechend keine Turbine in dem
Abgasstrang 33 der Brennkraftmaschine auf.
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4 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. In einem ersten Block 48 wird geprüft,
ob eine Differenz aus einem Sollladedruck und einem Istladedruck
einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. In einem
zweiten Block 50 wird überprüft, ob ein Lastanforderungsgradient,
beispielsweise in Form eines Fahrpedalgradienten eines Fahrpedals
eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat
angeordnet ist, einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
In einem dritten Block 52 wird geprüft, ob eine
Drehzahl der Brennkraftmaschine innerhalb eines vorbestimmten Drehzahlbereiches
liegt. In einem vierten Block 54 wird geprüft, ob
eine allgemeine Ladedruckregelbereitschaft vorliegt. Falls in allen
Blöcken 48 bis 54 das Ergebnis ”ja” ist,
und nur dann, wird in einem fünften Block 56 ein
Dynamikmodus der Lufttaktventile aktiviert, d. h. die Lufttaktventile
werden derart betrieben, dass sich eine Füllungserhöhung
in den Arbeitszylindern bzw. eine Aufladung der Brennkraftmaschine
ergibt. Sobald ein Zielmoment und/oder eine Zielfüllung
erreicht wird, wird dieser Dynamikmodus wieder deaktiviert. Dies
dauert beispielsweise nur einige Zyklen bzw. Umdrehungen der Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine.
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Bei
Lastanforderung an die Brennkraftmaschine ergibt sich unmittelbar
nach der Lastanforderung bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
eine Ziellücke zwischen dem erforderlichen Soll-Massenstrom
durch die Brennkraftmaschine und dem in den ersten Momenten tatsächlichen
Ist-Massenstrom.
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Diese
Lücke wird mit dem erfindungsgemäßem
Verfahren der LTV-Antaktung im Dynamikbetrieb geschlossen oder zumindest
verkleinert. Durch die LTV 32 im Dynamikmodus kann eine
verzögerungsfreie Füllungserhöhung herbei
geführt werden. Der Nachteil der Temperaturerhöhung
im Medium (Verbrennungsluft) wirkt sich erst nach einigen Zyklen
negativ auf die Klopfneigung mit der Folge eines Zündwinkelverzuges
und dementsprechender Wirkungsgradverschlechterung aus. In den ersten
Zyklen nach einer Lastanforderung wird durch die in 4 dargestellte
Dynamikerkennung der füllungssteigernde Betrieb (Dynamikbetrieb
bzw. Dynamikmodus) der LTV 32 ausgelöst und mit
erreichen des Zielmomentes und/oder der Zielfüllung wieder
eingestellt oder in einen anderen LTV-Betrieb über gewechselt.
Durch die per LTV 32 verzögerungsfreie Füllungserhöhung
in der Lastanforderung wird auch die Abgasenergie vor Turbine 20 bei
der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 1 schneller
erhöht, als ohne füllungssteigernden Betrieb der
LTV 32. Hierdurch wird in der Folge die Hochlaufzeit des
ATL 16 verkürzt und die Dynamik der Brennkraftmaschine
weiter verbessert.
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Als
Stell-/Regelparameter für die Taktung der LTV 32 werden
beispielsweise der Saugrohrdruck, die Saugrohrtemperatur, die Motordrehzahl,
die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Füllung und/oder ggf.
weitere Größen herangezogen, wobei die Größen
entweder direkt gemessen oder in entsprechenden Modellen berechnet
werden. Als Auslösungskriterien für die Dynamikerkennung
bzw. den Dynamikmodus werden die folgenden Größen
heran gezogen: Eine Schwelle für die Differenz von Sollladeruck und
Istladedruck (erster Block 48 in 4), eine Schwelle
für den Fahrpedalgradienten (zweiter Block 50 in 4)
und eine Schwelle für den Motordrehzahlbereich (dritter
Block 52 in 4), in dem eine Unterstützung
des Ladedruckaufbaus per LTV 32 notwendig ist.
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Der
zweite Ladeluftkühler 28 ist bevorzugt im Saugrohr
integriert. Die LTV 32 sind vorzugsweise zwischen dem zweiten
Ladeluftkühler 28 und den Einlassventilen 14 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/035955
A1 [0002, 0005]
- - DE 10346005 B4 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Impulsaufladung
und Laststeuerung von Hubkolbenmotoren durch ein Lufttaktventil”,
MTZ 12/2001, Jahrgang 62, Seiten 998 bis 1009 [0002]
