DE102010036727A1

DE102010036727A1 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010036727A1
Application number: DE102010036727A
Authority: DE
Inventors: Martin Füchtner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: DE102010036727B4

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (10), wobei Abgas, welches Zylinder (21) der Brennkraftmaschine verlässt, in einer Turbine (12) mindestens eines Abgasturboladers (11) entspannt und hierbei gewonnene Energie in einem Verdichter (13) des jeweiligen Abgasturboladers (11) zur Verdichtung einer den Zylindern (21) der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft verwendet wird, wobei in einem Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine eine Ladedruckregelung dadurch erfolgt, dass Einlassventile der Zylinder (21) und Auslassventile der Zylinder (21) derart mit einer Überschneidung hinsichtlich ihrer Öffnungsposition angesteuert werden, dass in den Zylindern (21) nicht benötigte Ladeluft vor einer Kraftstoffzündung aus den Zylindern (21) in Richtung auf den jeweiligen Abgasturbolader (11) abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 102 56 474 B3 ist ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung betrieben wird. Nach diesem Stand der Technik ist der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet, wobei in einer Turbine des Abgasturboladers die Brennkraftmaschine verlassendes Abgas entspannt wird und wobei hier gewonnene Energie in einem Verdichter des Abgasturboladers verwendet wird, um der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluft zu verdichten. Eine Ladedruckregelung erfolgt nach diesem Stand der Technik entweder saugseitig über eine Ansteuerung einer Drosselklappe oder abgasseitig über eine Ansteuerung eines Wastegates, welches auch als Bypassventil bezeichnet wird.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß erfolgt in einem Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine eine Ladedruckregelung dadurch, dass Einlassventile der Zylinder und Auslassventile der Zylinder derart mit einer Überschneidung hinsichtlich ihrer Öffnungsposition angesteuert werden, dass in den Zylindern nicht benötigte Ladeluft vor einer Kraftstoffzündung aus den Zylindern abgasseitig abgeleitet wird.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Ladedruckregelung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine dadurch bereitzustellen, dass im Volllastbereich und/oder im vollastnahen Bereich die Einlassventile der Zylinder der Brennkraftmaschine und die Auslassventile der Zylinder der Brennkraftmaschine mit einer Überschneidung hinsichtlich ihrer Öffnungsstellung angesteuert werden, nämlich derart, dass in den Zylindern der Brennkraftmaschine nicht benötigte Ladeluft vor der Kraftstoffzündung aus den Zylindern abgeleitet wird, nämlich in die Richtung auf die Abgasseite der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
Zur Verdichtung der den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft wird mit Vorteil vorgeschlagen, einen Kompressor oder Förderer einzusetzen.
Ebenfalls vorteilhaft zur Verdichtung der den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft einsetzbar ist mindestens ein Abgasturbolader, wobei Abgas, welches Zylinder der Brennkraftmaschine verlässt, in einer Turbine eines Abgasturboladers entspannt und hierbei gewonnene Energie in einem Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers verwendet wird. Dadurch wird demnach die Turbine des jeweiligen Abgasturboladers nicht nur mit Abgas, sondern auch mit überschüssiger Ladeluft beaufschlagt. Durch diese erhöhte Volumenbeaufschlagung der Turbine des jeweiligen Abgasturboladers verbessert sich dessen Ansprechverhalten und damit dessen Dynamik, sodass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden kann. Ferner wird hierdurch vor der Kraftstoffzündung eine Spülung der Zylinder mit Ladeluft und damit mit Frischgas bereitgestellt, sodass ein sogenanntes Anfetten nicht erforderlich ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird im Vollastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine über die Ansteuerung der Einlassventile der Zylinder und über die Ansteuerung der Auslassventile der Zylinder eine Überschneidungsdauer und/oder eine Überscheidungslage für die Öffnungsposition der Einlassventile und der Auslassventile bestimmt.
Dann, wenn durch eine entsprechende Ansteuerung der Einlassventile und Auslassventile der Zylinder sowohl eine Überschneidungsdauer als auch eine Überschneidungslage für die Öffnungsposition der Einlassventile und der Auslassventile bestimmt wird, ist eine besonders vorteilhafte Ladedruckregelung möglich. Durch die Beeinflussung der Überschneidungslage für die Öffnungsposition der Einlassventile und die Auslassventile können insbesondere negative Schwingungen in einem Saugrohr eliminiert werden, weiterhin kann der Spüleffekt für die Zylinder der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine;
2 ein stark schematisiertes Detail der Brennkraftmaschine gemäß 1; und
3 ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine. 1 zeigt stark schematisiert ein Beispiel einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs, wobei der Brennkraftmaschine 10 ein Abgasturbolader 11 zugeordnet ist. Der Abgasturbolader 11 umfasst eine Turbine 12 und einen Verdichter 13. Die Brennkraftmaschine 10 im Sinne des Pfeils 14 verlassendes Abgas wird der Turbine 12 des Abgasturboladers 11 zugeführt und in der Turbine 12 des Abgasturboladers 11 entspannt. Abgas, welches die Turbine 12 des Abgasturboladers 11 passiert hat, wird im Sinne des Pfeils 15 einer Abgasreinigungsanlage des Kraftfahrzeugs zugeführt.
Beim Entspannen des Abgases in der Turbine 12 gewonnene Energie wird zum Antrieb des Verdichters 13 des Abgasturboladers 11 verwendet, um so im Verdichter 13 des Abgasturboladers 11 sogenannte Ladeluft, die im Sinne des Pfeils 16 angesaugt wird, zu verdichten und als verdichtete Ladeluft im Sinne des Pfeils 17 den Zylindern 21 der Brennkraftmaschine 10 zuzuführen.
1 zeigt weiterhin eine Drosselklappe 18, die zwischen den Verdichter 13 des Abgasturboladers 11 und einen sogenannten Sammler 19 der Brennkraftmaschine 10 geschaltet ist, wobei über die Stellung der Drosselklappe 18 die Menge der Ladeluft eingestellt werden kann, die den Zylindern 21 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird. Weiterhin zeigt 1 ein sogenanntes Wastegate bzw. Bypassventil 20, wobei durch Öffnen des Wastegates bzw. Bypassventils 20 Abgas an der Turbine 12 des Abgasturboladers 11 vorbeigeleitet werden kann.
Bei der Drosselklappe 18 und beim Bypassventil 20 handelt es sich um Steuerungselemente, mithilfe derer nach dem Stand der Technik eine Ladedruckregelung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann. Mit der Drosselklappe 18 erfolgt nach dem Stand der Technik eine saugseitige Ladedruckregelung und mithilfe des Bypassventils 20 eine abgasseitige Ladedruckregelung der aufgeladenen Brennkraftmaschine 10.
2 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus der aufgeladenen Brennkraftmaschine 10 im Bereich eines Zylinders 21, wobei vom Zylinder 21 ein Kolben 22 gezeigt ist, der mithilfe eines Pleuels 23, welches an einer nicht- gezeigten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angreift, in einem Zylinderraum 24 des Zylinders 21 auf- und abbewegt wird.
Den Zylindern 21 der Brennkraftmaschine 10 sind sogenannte Gaswechselventile zugeordnet, wobei jedem Zylinder 21 mindestens ein Einlassventil 25 für verdichtete Ladeluft und mindestens ein Auslassventil für Abgas zugeordnet ist. Das oder jedes Einlassventil 25 eines jeden Zylinders 21 wird von einer Einlassnockenwelle 27 angesteuert, wohingegen das oder jedes Auslassventil 26 jedes Zylinders 21 der Brennkraftmaschine 10 von einer Auslassnockenwelle 28 angesteuert wird.
Bei der Brennkraftmaschine 10 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, wobei 2 ein Kraftstoffeinspritzventil 29 zeigt, mithilfe dessen in den Zylinder 21 Kraftstoff eingespritzt werden kann.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, in einem Volllastbereich der Brennkraftmaschine 10 und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine 10 eine Ladedruckregelung dadurch bereitzustellen, dass die Einlassventile 25 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 und die Auslassventile 26 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 mit einer Überschneidung hinsichtlich ihrer Öffnungsstellung bzw. Öffnungsposition angesteuert werden. Hierdurch wird in den Zylindern 21 nicht benötigte Ladeluft vor einer Kraftstoffzündung in den Zylindern 21 aus den Zylindern in Richtung auf die Turbine 12 des Abgasturboladers 11 abgeleitet. So zeigt 2 eine Situation, in welcher sowohl das gezeigte Einlassventil 25 als auch das gezeigte Auslassventil 26 des Zylinders 21 der Brennkraftmaschine 10 geöffnet sind, sodass im Sinne des Pfeils 30 verdichtete Ladeluft, die über das Einlassventil 25 in den Zylinder 21 einströmt, über das Auslassventil 26 unmittelbar aus demselben ausströmen kann, und zwar vor einer Zündung von Kraftstoff im Zylinder 21.
3 zeigt über dem Kurbelwellenwinkel α der nicht gezeigten Kurbelwelle einen Ventilhub h26 für das Auslassventil 26 des Zylinders 21 und einen Ventilhub h25 für das Einlassventil 25 des Zylinders 21, wobei 3 entnommen werden kann, dass in einem Winkelbereich zwischen den Winkeln α1 und α2 der Kurbelwelle das Einlassventil 25 bereits geöffnet wird, obwohl das Auslassventil 26 noch nicht vollständig geschlossen ist. Zwischen den Kurbelwellenwinkeln α1 und α2 sind demnach sowohl das Einlassventil 25 als auch das Auslassventil 26 geöffnet, sodass dann eine Spülung des Zylinders 21 mit verdichteter Ladeluft erfolgen kann.
Die Ansteuerung der Einlassventile 25 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 sowie die Ansteuerung der Auslassventile 26 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 im Volllastbereich und/oder im volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine 10 zur Bereitstellung der obigen Ventilüberschneidung erfolgt abhängig vom Ladedruck. Dabei wird zur Ladedruckregelung über eine entsprechende Ansteuerung der Einlassventile 25 sowie der Auslassventile 26 sowohl eine Überschneidungsdauer als auch eine Überschneidungslage für die Öffnungspositionen der Einlassventile 25 und der Auslassventile 26 bestimmt.
Je länger die Überschneidungsdauer bzw. je größer der Winkelbereich der Überschneidung für die Öffnungsposition der Einlassventile 25 und der Auslassventile 26 ist, desto stärker ist die Durchspülung der Zylinder 21 mit Ladeluft bzw. Frischgas. Desto mehr Ladeluft gelangt demnach ausgehend vom Verdichter 13 des jeweiligen Abgasturboladers 11 nach Durchspülung der Zylinder 21 unmittelbar in den Bereich der Turbine 12 des jeweiligen Abgasturboladers 11, nämlich vor der Kraftstoffzündung in den Zylindern 21.
Hierdurch wird dann die Volumenbeaufschlagung des jeweiligen Abgasturboladers, nämlich der Turbine 12 desselben, eingestellt, wobei durch die zusätzliche Volumenbeaufschlagung der Turbine 12 des jeweiligen Abgasturboladers 11 mit der vor der Kraftstoffzündung aus den Zylindern 21 abgeleiteten Ladeluft das Ansprechverhalten des jeweiligen Abgasturboladers 11 und damit dessen Dynamik verbessert wird.
Durch die Lage der Überschneidung für die Öffnungsposition der Einlassventile 25 und der Auslassventile 26 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 werden insbesondere negative Schwingungen in einem Saugrohr und gegebenenfalls Sammler 19 der Brennkraftmaschine eliminiert, weiterhin kann die Durchspülung der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 mit Ladeluft und damit Frischgas verbessert werden. Weiterhin kann durch die Anpassung der Lage der Überschneidung für die Öffnungsposition der Einlassventile 25 und der Auslassventile 26 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 ein Aufsetzen der Einlassventile 25 und Auslassventile 26 auf den Kolben 22 der Zylinder 21 verhindert werden.
Die obige Ansteuerung der Einlassventile 25 und der Auslassventile 26 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 zur Ladeluftregelung im Volllastbereich und/oder im volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine 10 erfolgt über die Nockenwellen, also über die Einlassnockenwelle 27 und die Auslassnockenwelle 28 der Gaswechselventile, vorzugsweise mithilfe eines elektrischen Nockenwellenverstellers. Wie bereits ausgeführt, erfolgt dies abhängig vom Ladedruck.
Die hier vorliegende Erfindung schlägt demnach ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine vor, die vorzugsweise mit Kraftstoffdirekteinspritzung betrieben wird, wobei die Ladedruckregelung einer solchen Brennkraftmaschine im Volllastbereich und/oder im volllastnahen Bereich über die Dauer und/oder Lage der Überschneidung in der Öffnungsposition der Gaswechselventile 25, 26 der Zylinder 21 der Brennkraftmaschine 10 erfolgt.
Dann, wenn wie in 1 gezeigt, eine Brennkraftmaschine 10 verwendet wird, die über die Drosselklappe 18 und das Bypassventil 20 verfügt, erfolgt vorzugsweise im Volllastbereich sowie im volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine 10 weder eine saugseitige Ladedruckregelung über die Drosselklappe 18 noch eine abgasseitige Ladedruckregelung über der Bypassventil 20, sondern ausschließlich über die entsprechende Ansteuerung der Gaswechselventile 25, 26. Vielmehr erfolgt dann eine saugseitige Ladedruckregelung und/oder abgasseitige Ladedruckregelung ausschließlich außerhalb des Volllastbereichs und das volllastnahen Bereichs der Brennkraftmaschine 10.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass im Volllastbereich und im volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine 10 zusätzlich zur erfindungsgemäßen Ladedruckregelung über die Beeinflussung der Dauer und/oder Lage der Überschneidung der Öffnungsposition der Gaswechselventile 25, 26 zusätzlich eine saugseitige Ladedruckregelung und/oder abgasseitige Ladedruckregelung erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die aufgeladene Brennkraftmaschine der 1 beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen, deren Turbolader als sogenannter VTG-Turbolader ausgeführt ist, dessen Turbolader also eine Turbine 12 mit variabler Geometrie aufweist.
Dann, wenn der Abgasturbolader 11 eine solche Turbine 12 mit variabler Turbinengeometrie aufweist, kann eine Ladedruckregelung über eine Anpassung der Turbinengeometrie erfolgen, wobei diese Anpassung bzw. Verstellung der Turbinengeometrie der Turbine 12 des Abgasturboladers 11 entweder ausschließlich außerhalb des Volllastbereichs und/oder des volllastnahen Bereichs der Brennkraftmaschine 10 oder alternativ zusätzlich zur erfindungsgemäßen Ladedruckregelung im Volllastbereich und/oder volllastnahen Bereich erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei aufgeladenen Otto-Brennkraftmaschinen als auch bei aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Die aufgeladene Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Abgasturbolader aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10256474 B3 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei eine Verdichtung einer den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine eine Ladedruckregelung dadurch erfolgt, dass Einlassventile der Zylinder und Auslassventile der Zylinder derart mit einer Überschneidung hinsichtlich ihrer Öffnungsposition angesteuert werden, dass in den Zylindern nicht benötigte Ladeluft vor einer Kraftstoffzündung aus den Zylindern abgasseitig abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdichtung der den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, wobei Abgas, welches Zylinder der Brennkraftmaschine verlässt, in einer Turbine eines Abgasturboladers entspannt und hierbei gewonnene Energie in einem Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers zur Verdichtung der den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft verwendet wird, wobei in den Zylindern nicht benötigte Ladeluft vor einer Kraftstoffzündung aus den Zylindern in Richtung auf den jeweiligen Abgasturbolader abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine die Ansteuerung der Einlassventile der Zylinder und die Ansteuerung der Auslassventile der Zylinder abhängig vom Ladedruck erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine über die Ansteuerung der Einlassventile der Zylinder und über die Ansteuerung der Auslassventile der Zylinder eine Überschneidungsdauer und/oder eine Überscheidungslage für die Öffnungsposition der Einlassventile und der Auslassventile bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Einlassventile der Zylinder und über die Ansteuerung der Auslassventile der Zylinder über deren Nockenwellen erfolgt, wobei zur Einstellung der Überschneidungsdauer und/oder der Überscheidungslage für die Öffnungsposition der Einlassventile und der Auslassventile die jeweiligen Nockenwellen abhängig vom Ladedruck über Nockenwellenversteller verstellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine zusätzlich eine saugseitige Ladedruckregelung insbesondere über eine Drosselklappe und/oder eine abgasseitige Ladedruckregelung insbesondere über ein Bypassventil erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine weder eine saugseitige Ladedruckregelung insbesondere über eine Drosselklappe noch eine abgasseitige Ladedruckregelung insbesondere über ein Bypassventil erfolgt, vielmehr erfolgt eine solche saugseitige Ladedruckregelung und/oder abgasseitige Ladedruckregelung ausschließlich außerhalb des Volllastbereichs und/oder des volllastnahen Bereichs der Brennkraftmaschine.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine eine Ladedruckregelung durch eine Verstellung der Turbinengeometrie des jeweiligen Abgasturboladers erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbereich der Brennkraftmaschine und/oder in einem volllastnahen Bereich der Brennkraftmaschine keine Ladedruckregelung durch eine Verstellung der Turbinengeometrie des jeweiligen Abgasturboladers erfolgt, vielmehr erfolgt eine solche Ladedruckregelung durch eine Verstellung der Turbinengeometrie des jeweiligen Abgasturboladers ausschließlich außerhalb des Volllastbereichs und/oder des volllastnahen Bereichs der Brennkraftmaschine.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung betrieben wird.