DE102010061859A1

DE102010061859A1 - Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102010061859A1
Application number: DE102010061859A
Authority: DE
Inventors: Christian Bücker; Alexander Ullmann
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-05-24
Also published as: WO2012069377A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) in einem Motorblock (2) mehrere mit Gaswechselventilen (5, 6) gesteuerte Zylinder (3) und eine den Zylindern (3) Frischluft zuführende Frischluftanlage (7) aufweist, die wenigstens ein Zusatzventil (30) aufweist, das in einem zu mindestens einem Zylinder (3) führenden Frischluftkanal (8', 8'') stromauf der zugehörigen Gaswechselventile (5, 6) angeordnet ist, bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass sich Öffnungsphasen (A), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8'') öffnet, und Schließphasen (B), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8'') schließt, abwechseln, wobei Öffnungsphasen (A) abhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) variiert werden, um die Öffnungsphasen (A) an den aktuellen Betriebszustand anzupassen. Verbesserte Werte für Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen lassen sich erreichen, wenn das Variieren der Öffnungsphasen (A) zum Anpassen an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) so erfolgt, dass eine in Grad Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle (35) der Brennkraftmaschine (1) gemessene Öffnungsdauer (41) der Öffnungsphase (A) variiert wird, wozu ein Schließzeitpunkt (40) der Öffnungsphase (A) hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel variiert wird, während ein Öffnungszeitpunkt (39) der Öffnungsphase (A) hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Brennkraftmaschinen kommen stationär, z. B. bei Notstromaggregaten oder bei Kraft-Wärme-Kopplungseinrichtungen, oder bei mobilen Verwendungen zum Einsatz, wie z. B. bei Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und Landfahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeuge und Off-Road-Fahrzeuge.
Üblicherweise umfasst eine Brennkraftmaschine einen Motorblock, der mehrere Zylinder enthält, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist, sogenannter Kolbenmotor bzw. Hubkolbenmotor. Gaswechselvorgänge dieser Zylinder werden mit Hilfe von Gaswechselventilen gesteuert, also mit Einlassventilen und Auslassventilen. Zur Versorgung der Zylinder mit Frischluft ist die Brennkraftmaschine üblicherweise mit einer Frischluftanlage ausgestattet, die zumindest einen Frischluftkanal umfasst, der gleichzeitig mehrere Zylinder mit Frischluft versorgt. Beispielsweise umfasst ein derartiger Frischluftkanal einen Frischluftverteiler, von dem einzelne Verbindungsrohre zu jeweils einem Zylinder abgehen.
Um die Frischluftbeladung der Zylinder verbessern zu können bzw. um eine Rückführung von Abgas steuern zu können, ist es grundsätzlich möglich, in der Frischluftanlage stromauf der Gaswechselventile, also zusätzlich zu den Gaswechselventilen zumindest ein Zusatzventil in der Frischluftanlage anzuordnen, mit dessen Hilfe der jeweilige Frischluftkanal geöffnet und geschlossen werden kann. Ein derartiges Zusatzventil arbeitet dynamisch und unterscheidet sich somit grundsätzlich von einer Drosselklappe, die bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen in der Frischluftanlage vorgesehen sein kann, um bei niedrigen Lasten die Frischluftzufuhr zu drosseln. Mit Hilfe derartiger Zusatzventile ist es grundsätzlich möglich, in der zu den Zylindern führenden Luftströmung Druckpulsationen zu erzeugen bzw. aufgrund der Ladungswechselvorgänge vorhandene Druckpulsationen zu verstärken. Dabei können positive Druckpulse, die zu Druckerhöhungen führen, dazu genutzt werden, den einzelnen Zylindern mehr Luftmasse zuzuführen, sogenannte Impulsaufladung. Ebenso ist es möglich, negative Druckpulse zu erzeugen, die zu Druckabsenkungen führen, um eine Abgasrückführung zu verbessern bzw. gezielt ein Abgasrückführrate einzustellen.
Zusatzventile zum Steuern der Abgasrückführung sind beispielsweise aus der DE 10 2006 028 146 A1 , aus der DE 10 2006 037 934 A1 und aus der DE 10 2007 004 264 A1 bekannt.
Ferner ist es beispielsweise aus der DE 10 2008 036 494 A1 bekannt, derartige Zusatzventile mit Einlassventilen der Zylinder so zu koordinieren, dass die Temperatur während des Verbrennungsprozesses, also die jeweilige Prozesstemperatur gesenkt wird, um Schadstoffemissionen, insbesondere NOX-Emissionen zu reduzieren. Beispielweise lässt sich mit Hilfe der Zusatzventile das sogenannte Miller-Verfahren oder das sogenannte Atkinson-Verfahren durchführen. Beim Miller-Verfahren wird der Beladungsvorgang des jeweiligen Zylinders früher als üblich beendet, nämlich vor dem unteren Totpunkt des zugehörigen Kolbens. Beim Atkinson-Verfahren wird der Beladungsvorgang verlängert, nämlich bis nach dem unteren Totpunkt des jeweiligen Kolbens. In beiden Fällen wird die insgesamt dem Zylinder zugeführte Frischluftmenge reduziert, was zu einer Druckabsenkung im Verbrennungsprozess und somit zu einer Temperaturabsenkung führt.
Aus der WO 2010/007026 A1 ist ein weiteres Zusatzventil bekannt, das mit einem Phasensteller ausgestattet ist, mit dessen Hilfe die Phasenlage zwischen Antrieb und Ventilglied variiert werden kann.
Gemäß der DE 10 2009 020 171 ist es außerdem bekannt, das jeweilige Zusatzventil dazu zu verwenden, dass in einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine ein Umweltparameter der Brennkraftmaschine optimiert wird bzw. dass für wenigstens zwei Umweltparameter der Brennkraftmaschine ein optimierter Kompromiss eingestellt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils relativ zur Rotation einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. relativ zu deren Kurbelwellenwinkel variiert wird.
Um die unterschiedlichen strömungsdynamischen Effekte erzeugen zu können, wird das jeweilige Zusatzventil üblicherweise so betrieben, dass sich Öffnungsphasen, in denen das Zusatzventil den Frischluftkanal öffnet, und Schließphasen, in denen das Zusatzventil den Frischluftkanal schließt, abwechseln. Sofern ein derartiges Zusatzventil mehreren Zylindern zugeordnet ist, also in einem Frischluftkanal angeordnet ist, der zu mehreren Zylindern führt, wird das Zusatzventil zweckmäßig so betrieben, dass es für jeden zugeordneten Zylinder separate Öffnungsphasen erzeugt. Beispielsweise kann der jeweilige Frischluftkanal zu drei Zylindern der Brennkraftmaschine führen, so dass das Zusatzventil dann drei Zylindern zugeordnet ist. Bei einem Sechs-Zylinder-Motor, der nach dem Vier-Takt-Prinzip arbeitet, lässt sich die Zündfolge der einzelnen Zylinder so abstimmen, dass die dem jeweiligen Zusatzventil zugeordneten drei Zylinder nacheinander, also bezüglich des Kurbelwellenwinkels phasenverschoben zueinander getaktet werden, wobei insbesondere die Ansaugtakte der Zylinder zeitlich getrennt voneinander und nacheinander auftreten. Dadurch ist es möglich, dass mit Hilfe des einen Zusatzventils für jeden zugeordneten Zylinder eine separate Öffnungsphase erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch charakterisiert, dass der energetische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert ist, wobei insbesondere Schadstoffemissionen reduziert werden sollen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängiger Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zum Variieren der Öffnungsphasen im Rahmen der Adaption an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine ausschließlich den Schließzeitpunkt zu verschieben und den Öffnungszeitpunkt konstant zu lassen. Zum Vergrößern der Öffnungsphasen wird somit ausschließlich der Schließzeitpunkt nach spät verschoben, während zum Verkürzen der Öffnungsphasen ausschließlich der Schließzeitpunkt nach früh verschoben wird. Diese Maßnahme beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass es für einen optimalen Kompromiss aus Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen, insbesondere NOX-Emissionen, ein Zeitfenster gibt, in dem der Öffnungszeitpunkt für die Öffnungsphasen liegen muss, wobei dieses Zeitfenster unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und unabhängig von der Größe der Öffnungsphase ist, auch wenn die Größe der Öffnungsphase eine starke Abhängigkeit zum Betriebszustand der Brennkraftmaschine besitzt. Die Position dieses Zeitfensters kann jedoch von der jeweils verfolgten Betriebsstrategie abhängen, nach welcher die Brennkraftmaschine betrieben werden soll, z. B. schadstoffoptimiert, verbrauchsoptimiert, leistungsoptimiert etc.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil ein permanent rotierendes Ventilglied aufweisen, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase bildenden Schließwinkelbereich und zumindest einen eine solche Öffnungsphase bildenden Öffnungswinkelbereich durchfährt, wobei zum Variieren des Schließzeitpunkts die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds innerhalb einer vollständigen Umdrehung variiert wird, so dass während der Öffnungsphasen andere Rotationsgeschwindigkeiten vorliegen als während der Schließphasen.
Beispielsweise kann dann zum Verkürzen der Öffnungsdauer die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase erhöht und in der Schließphase reduziert werden, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt. Durch das Konstanthalten der Phasenlage des Öffnungszeitpunkts beruht die Veränderung der Öffnungsdauer ausschließlich auf einer Verschiebung des Schließzeitpunkts. Entsprechendes gilt für ein Vergrößern der Öffnungsdauer, was dadurch erreicht wird, dass die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase reduziert und in der Schließphase erhöht wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Entsprechend einer speziellen Ausführungsform kann für den jeweiligen Zylinder der Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase des jeweiligen Zusatzventils unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem durch die Gaswechselventile gesteuerten Einlassbeginn zusammenfallen oder maximal einen Abstand von 10° Kurbelwellenwinkel oder maximal einen Abstand von 5° Kurbelwellenwinkel aufweisen. Ein derartiger Zusammenhang zwischen Öffnungszeitpunkt und Einlassbeginn kann für eine vorbestimmte Betriebsstrategie einzuhalten sein, beispielsweise zur Optimierung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs mit niedrigen Schadstoffemissionen. Bei einer anderen Betriebsstrategie, die beispielsweise zu einer raschen Aufwärmung der Brennkraftmaschine führen soll, können natürlich auch andere Zusammenhänge zwischen Öffnungszeitpunkt und Einlassbeginn gewählt werden. Beispielsweise können für die eingangs genannte Wärmeladung (Miller-Verfahren bzw. Atkinson-Verfahren) andere Zusammenhänge von Öffnungszeitpunkt und Einlassbeginn relevant sein.
Die hier vorgeschlagene Variation der Öffnungsphasen zur Adaption an sich ändernde Betriebszustände durch Verschieben des Schließzeitpunkts und Konstanthalten des Öffnungszeitpunkts kann bei Frischluftanlagen durchgeführt werden, die für jeden Zylinder ein separates Zusatzventil aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der jeweilige Frischluftkanal, in dem das jeweilige Zusatzventil angeordnet ist, zu mehreren Zylindern führen, so dass jeweilige Zusatzventil mehreren Zylindern zugeordnet ist, für die es jeweils separate Öffnungsphasen erzeugt. Da sich ein derartiges Zusatzventil mit hoher Dynamik betreiben und ansteuern lässt, kann es ausreichen, ein einziges Zusatzventil mehreren Zylindern zuzuordnen, um für die Zylinder separate Öffnungsphasen bereitstellen zu können. Insbesondere kann vorgesehen sein, das jeweilige Zusatzventil so zu betreiben, dass es für die zugeordneten Zylinder unterschiedlich große Öffnungsphasen erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen.
Diese Ausführungsform beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe des Zusatzventils die Öffnungsphasen hinsichtlich ihrer Länge bzw. hinsichtlich ihrer Zeitdauer individuell für den jeweiligen Zylinder zu optimieren. Erreicht wird dies, in dem das Zusatzventil so betrieben wird, dass es für die zugeordneten Zylinder unterschiedlich große Öffnungsphasen erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen. Sofern also dem jeweiligen Zusatzventil beispielsweise drei Zylinder zugeordnet sind, erzeugt das Zusatzventil während eines vollständigen Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine, also während zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle, also innerhalb von 720° Kurbelwellenwinkel (kurz „KWW” oder „KW”) genau drei Öffnungsphasen, die durch Schließphasen voneinander beabstandet sind, wobei diese drei Öffnungsphasen unterschiedlich groß sind, sich also über unterschiedlich große Winkelbereiche der Kurbelwellendrehung erstrecken.
Hierbei wird die Erkenntnis berücksichtigt, dass innerhalb des Frischluftkanals für jeden zugehörigen Zylinder ein eigener Strömungspfad vorhanden ist, der vom gemeinsamen Zusatzventil zum jeweiligen Zylinder bzw. zu dessen Brennraum führt. Aufgrund konstruktiver Notwendigkeiten sind diese Strömungspfade nicht identisch. Beispielsweise kann ein Strömungspfad länger sein als ein anderer. Zusätzlich oder alternativ kann ein Strömungspfad mehr Strömungsumlenkungen enthalten als ein anderer. Zusätzlich oder alternativ kann ein Strömungspfad mehr Strömungshindernisse und/oder Strömungswiderstände enthalten als ein anderer. Dies führt am Ende dazu, dass gleich große Öffnungszeiten des Zusatzventils zu unterschiedlichen Beladungen bzw. – je nach Einsatzzweck des Zusatzventils – zu unterschiedlichen Abgasrückführmengen in den einzelnen Zylindern führen. Es hat sich also gezeigt, dass identische Öffnungsphasen des gemeinsamen Zusatzventils an den zugeordneten Zylindern zu einer inhomogenen Versorgung mit Frischluft bzw. rückgeführtem Abgas führen. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, die Öffnungsphasen für die verschiedenen Zylinder unterschiedlich zu wählen, ergibt sich nun die Möglichkeit, die Versorgung der zugehörigen Zylinder mit Frischluft bzw. mit rückgeführtem Abgas zu homogenisieren. Beispielsweise kann für einen Zylinder, der über einen kürzeren Frisch-luftpfad mit dem Zusatzventil gekoppelt ist, eine kleinere Öffnungsphase gewählt werden, während für einen Zylinder, der über einen mit mehreren Strömungsumlenkungen versehenen Frischluftpfad mit dem Zusatzventil gekoppelt ist, eine größere Öffnungsphase gewählt werden kann. Durch Versuche lassen sich die optimalen Öffnungsphasen für die unterschiedlichen Zylinder ermitteln, um die konstruktiv bedingten Abweichungen der Frischluftpfade mehr oder weniger ausgleichen zu können.
Durch die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erzielbare Homogenisierung der Versorgung der einzelnen Zylinder mit Frischluft bzw. mit rückgeführtem Abgas lassen sich die Schadstoffemissionen und/oder der Kraftstoffverbrauch senken.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil ein permanent rotierendes Ventilglied aufweisen, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase bildenden Schließwinkelbereich und zumindest einen eine solche Öffnungsphase bildenden Öffnungswinkelbereich durchfährt, wobei zum Verändern aufeinander folgender Öffnungsphasen die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds verändert wird. Mit anderen Worten, um bei einem Zusatzventil mit permanent rotierendem Ventilglied die aufeinander folgenden Öffnungsphasen hinsichtlich ihrer Zeitdauer variieren zu können, ist das Zusatzventil so ausgestaltet, dass die Rotationsgeschwindigkeit, mit der das Ventilglied rotiert, dynamisch verändert werden kann, also während einer Umdrehung des Ventilglieds, insbesondere zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schließphasen und insbesondere innerhalb einer Öffnungsphase. Dies kann insbesondere mit Hilfe eines elektromotorischen Antriebs realisiert werden, beispielsweise mit Hilfe eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil so betätigt werden, dass die Öffnungsphasen bei einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufweisen. Beispielsweise kann es wichtig sein, dass der jeweilige positive oder negative Druckpuls im Bereich eines vorbestimmten Kurbelwellenwinkels am jeweiligen Zylinder eintrifft, beispielsweise unmittelbar vor dem Schließen des zugehörigen Einlassventils bzw. der zugehörigen Einlassventile. Das Verändern der Öffnungsphasen kann dann so erfolgen, dass bei einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine die vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle erhalten bleibt. Beispielsweise kann eine Öffnungsphase dadurch vergrößert werden, dass die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase verkleinert wird bzw. werden, und zwar so, dass eine Periodendauer konstant bleibt. Für den Fall, dass eine Öffnungsphase verkleinert werden soll, können die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase vergrößert werden, derart, dass die Periodendauer konstant bleibt. Die jeweilige Periodendauer ist dabei durch den zeitlichen Abstand zwischen den Mitten von zwei aufeinander folgenden Öffnungsphasen definiert.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil zum Steuern einer Abgasrückführrate verwendet werden. In den Schließphasen kann an einer stromab des Zusatzventils liegenden Einleitstelle für rückgeführtes Abgas ein Unterdruck erzeugt bzw. vergrößert werden, wodurch sich die Menge des rückgeführten Abgases beeinflussen lässt. Die Abgasrückführrate verhält sich dabei antiproportional zur Öffnungsphase des Zusatzventils. Je größer die Öffnungsphase, desto größer die Abgasrückführrate und umgekehrt.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Frischluftkanal vom jeweiligen Zusatzventil zu den zugehörigen Zylindern unterschiedliche Strömungspfade aufweisen, die am jeweiligen Zylinder bei gleichen Öffnungsphasen zu Unterschieden in der Frischluftbefüllung und/oder Abgasrückführrate führen würden, wobei die unterschiedlichen Öffnungsphasen so auf die unterschiedlichen Strömungspfade abgestimmt sind, dass die genannten Unterschiede reduziert, insbesondere eliminiert, werden. Bei dieser Ausführungsform wird das Potential der vorliegenden Erfindung optimal benutzt, um die Versorgung der einzelnen Zylinder hinsichtlich Frischluft und/oder rückgeführtem Abgas zu homogenisieren.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil ein mit Hilfe eines Elektromotors, wie z. B. ein bürstenloser Gleichstrommotor, permanent rotierend angetriebenes Ventilglied aufweisen, wobei der Elektromotor zum Erzeugen variierender Rotationsgeschwindigkeiten während einer Umdrehung des Ventilglieds mit einer stetigen Ansteuerfunktion angesteuert wird. Die Verwendung einer stetigen Ansteuerfunktion reduziert die Belastung des Elektromotors und ermöglicht zuverlässige Steuerzeiten.
Die hierbei verwendete Ansteuerfunktion kann entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform das Produkt aus wenigstens zwei stetigen Teilfunktionen sein. Zweckmäßig kann die jeweilige Teilfunktion jeweils eine Sinusfunktion beinhalten. Insbesondere kann eine erste Teilfunktion eine Sinusfunktion erster Potenz sein, während eine zweite Teilfunktion eine Sinusfunktion dritter Potenz sein kann. Zweckmäßig kann der Nulldurchgang der ersten Teilfunktion mit negativer Ableitung auf die Mitte der Öffnungsphase des Zusatzventils eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, das Maximum der zweiten Teilfunktion auf die Mitte der Öffnungsphase des Zusatzventils einzustellen. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Ansteuerfunktion zu einem besonders günstigen Verlauf der Rotationsbewegung des Ventilglieds führt, mit der sich die variierenden Öffnungszeiten besonders einfach und zuverlässig darstellen lassen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Frischluftanlage stromab des jeweiligen Zusatzventils bis zu den Gaswechselventilen und stromauf des jeweiligen Zusatzventils keine steuerbare Drossel enthält. Mit anderen Worten, die Frischluftanlage wird ungedrosselt bzw. drosselfrei betrieben. Die Steuerung der Frischluftzufuhr zu den Zylindern erfolgt ausschließlich über das jeweilige Zusatzventil. Insbesondere kann somit die Beladungssteuerung für die Zylinder mit Hilfe des Zusatzventils realisiert werden. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, bei der das jeweilige Zusatzventil sowohl zur Beladungssteuerung der zugeordneten Zylinder als auch zum Steuern einer Abgasrückführrate zu den einzelnen Zylindern betrieben wird.
Besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn bei einem 4-Takt-Motor für jeweils drei Zylinder ein einziges Zusatzventil verwendet wird, das diesen drei Zylindern zugeordnet ist. Insbesondere kann somit bei einem 3-Zylinder-Motor nur ein einziges Zusatzventil vorgesehen sein. Bei einem 6-Zylinder-Motor können dagegen genau zwei solche Zusatzventile vorgesehen sein, die dann jeweils drei Zylindern zugeordnet sind.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
2 eine isometrische Ansicht eines Zusatzventils,
3a ein stark vereinfachter, schematisierter Längsschnitt des Zusatzventils,
3b ein Diagramm zur Veranschaulichung des Öffnungsverhaltens des Zusatzventils abhängig von einem Rotationswinkel eines Ventilglieds,
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung unterschiedlicher Öffnungsphasen des Zusatzventils,
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung aufeinander folgender, unterschiedlicher Öffnungsphasen für drei Zylinder,
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung aufeinander folgender unterschiedlicher Öffnungsphasen bei einem 6-Zylinder-Motor,
7 bis 14 jeweils einen vereinfachten Längsschnitt des Zusatzventils (a), eine Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine mit drei Zylindern (b) und ein Verlaufsdiagramm für einen Vier-Takt-Betrieb der drei Zylinder, abhängig vom Kurbelwellenwinkel (c), bei unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Kurbelwellenwinkeln,
15 mehrere Diagramme (a) bis (f) zur Veranschaulichung unterschiedlicher Öffnungsphasen bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.
Entsprechend 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1, wie sie z. B. bei einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommen kann, z. B. einen Motorblock 2, der mehrere Zylinder 3 enthält, die jeweils einen Brennraum 4 umschließen und in denen jeweils ein nicht näher bezeichneter Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Andere Motorkonfigurationen, wie Boxermotor, V-Motor und W-Motor, sind selbstverständlich. Im Beispiel sind rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit genau sechs derartige Zylinder 3 in Reihe angeordnet. Jedem Brennraum 4 bzw. jedem Zylinder 3 sind Gaswechselventile, nämlich Einlassventile 5 und Auslassventile 6 zugeordnet, die im Motorblock 2 angeordnet sind. Im Beispiel ist je Brennraum 4 bzw. je Zylinder 3 ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 vorgesehen. Es ist klar, dass auch zwei oder mehr Einlassventile 5 bzw. zwei oder mehr Auslassventile 6 je Zylinder 3 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. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine 1 in anderen Fahrzeugen, wie z. B. Wasserfahrzeugen oder in stationären Einrichtungen denkbar.
Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Frischluftanlage 7 auf, die zur Zuführung von Frischluft zu den Brennräumen 4 bzw. zu den Zylindern 3 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, Abgase von den Brennräumen 4 wegzuführen. Hierzu besitzt sie 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, Abgase 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 Rückführleitung 14 eingangsseitig mit der Abgasleitung 11 verbunden. An der jeweiligen Einleitstelle 14 ist die jeweilige Rückführleitung 14 ausgangsseitig mit der Frischluftleitung 8 verbunden.
Im Beispiel ist die Frischluftanlage 7 zumindest in einem an die Brennräume 4 an die Zylinder 3 anschließenden Abschnitt zweiflutig ausgestaltet, so dass die Frischluftleitung 8 in diesem Bereich eine erste Flut 8' zur Versorgung der ersten drei Zylinder 3 bzw. der ersten drei Brennräume 4 bzw. eine zweite Flut 8'' aufweist, die zur Versorgung der zweiten drei Zylinder 3 bzw. der zweiten drei Brennräume 4 dient. Die erste Flut 8' und die zweite Flut 8'' bilden dabei jeweils einen Frischluftkanal, der im Folgenden ebenfalls mit 8' bzw. 8'' bezeichnet wird.
Analog zur Frischluftanlage 7 ist auch die Abgasanlage 10 zumindest in einem an die Zylinder 3 bzw. an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt zweiflutig ausgestaltet, so dass die Abgasleitung 11 zumindest in einem an die Zylinder 3 bzw. an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt eine den ersten drei Zylindern 3 zugeordnete erste Flut 11' und eine den zweiten drei Zylindern 3 zugeordnete zweite Flut 11'' aufweist.
Die beiden Abgasrückführleitungen 14 sind dementsprechend jeweils einer dieser Fluten 8' bzw. 8'' bzw. 11' bzw. 11'' zugeordnet. Insbesondere ist an jedem Frischluftkanal 8', 8'' eine solche Abgasrückführleitung 14 angeschlossen. Im Beispiel ist außerdem jede Rückführleitung 14 mit einem Abgasrückführkühler 17 ausgestattet.
Ferner ist die Brennkraftmaschine 1 im dargestellten Beispiel aufgeladen, so dass 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 Zylindern 3 ist ein zweiter Ladeluftkühler 27 in der Frischluftleitung 8 angeordnet.
Eine entsprechende Abgasrückführströmung ist dabei durch Pfeile 28 angedeutet. Im Beispiel der 1 ist in jeder Rückführleitung 14 außerdem ein Abgasrückführventil 29 angeordnet, mit dessen Hilfe die jeweilige Rückführleitung 14 geöffnet bzw. gesperrt werden kann und das insbesondere zum Einstellen einer Abgasrückführrate verwendet werden kann.
Die Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit wenigstens einem Zusatzventil 30 ausgestattet. Im Beispiel sind zwei derartige Zusatzventile 30 vorgesehen. Das jeweilige Zusatzventil 30 ist dabei in der Frischluftanlage 7 stromauf der Gaswechselventile 5, 6, also hier stromauf der Einlassventile 5 angeordnet. Im Beispiel ist den beiden Fluten 8', 8'' jeweils ein derartiges Zusatzventil 30 zugeordnet. Das heißt, in jedem Frischluftkanal 8', 8'' ist jeweils ein derartiges Zusatzventil 30 angeordnet. Somit ist im Beispiel jedes Zusatzventil 30 jeweils drei Zylindern 3 bzw. drei Brennräumen 4 zugeordnet.
Gemäß 2 kann ein derartiges Zusatzventil 30 einen Elektromotor 31 als Antrieb aufweisen, um das jeweilige Zusatzventil 30 zum Öffnen und Schließen des jeweiligen Frischluftkanals 8' bzw. 8'' betätigen zu können. Im Beispiel umfasst das Zusatzventil 30 einen Leitungsabschnitt 32, mit dem das Zusatzventil 30 in den jeweiligen Frischluftkanal 8' bzw. 8'' der Frischluftanlage 7 eingebunden werden kann. Das Zusatzventil 30 enthält im zugehörigen Kanalabschnitt 32 ein Ventilglied 33, das im Beispiel durch eine Klappe gebildet ist, die insbesondere auch als Schmetterlingsklappe bezeichnet werden kann. Das Ventilglied 33 ist drehfest auf einer Welle 34 angeordnet, die mit dem Elektromotor 31 antriebsverbunden ist. Der Elektromotor 31 ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er das Ventilglied 33 zu einer permanenten Rotation antreiben kann. Die Drehzahl des Antriebs 31 bzw. des Ventilglieds 33 kann beispielsweise in einer im Wesentlichen fest stehenden Relation zu einer Drehzahl einer in 1 angedeuteten Kurbelwelle 35 der Brennkraftmaschine 1 stehen.
Die 2 und 3a zeigen ein zweckmäßiges Beispiel für ein Zusatzventil 30, das ein permanent rotierendes Ventilglied 33 aufweist. 3b veranschaulicht den Verlauf des vom Ventilglied 33 gesteuerten durchströmbaren Querschnitts des Frischluftkanals 8' bzw. 8'' abhängig vom Drehwinkel φ des Ventilglieds 33. Die jeweilige Öffnungsphase A ist dabei innerhalb der Verlaufskurve mit A bezeichnet, während die daran angrenzenden Schließphasen mit B bezeichnet sind.
Bei einer vollständigen Umdrehung dieses Ventilglieds 33 durchfährt dieses zumindest einen Schließwinkelbereich β und zumindest einen Öffnungswinkelbereich α. Der jeweilige Schließwinkelbereich β definiert eine Schließphase B des Zusatzventils 30, während der jeweilige Öffnungswinkelbereich α eine Öffnungsphase A des Zusatzventils 30 bildet. Während der Öffnungsphasen A öffnet das Zusatzventil 30 bzw. dessen Ventilglied 33 den Frischluftkanal 8' bzw. 8''. Während den Schließphasen B schließt das Zusatzventil 30 bzw. dessen Ventilglied 33 den jeweiligen Frischluftkanal 8' bzw. 8''. Beim gezeigten Beispiel besitzt das Zusatzventil 30 bei einer vollständigen Umdrehung des Ventilglieds 33 genau zwei Öffnungsphasen A und zwei Schließphasen B, die sich abwechseln.
Zur Ausbildung signifikanter Schließwinkelbereiche β besitzt eine Kanalwand 36 Vertiefungen 37, in welche das Ventilglied 33 bei seiner Rotation eintaucht. Die Vertiefungen 37 sind beispielsweise kreissegmentförmig profiliert und besitzen einen Durchmesser D, der größer ist als eine Höhe H des jeweiligen Kanals 8' bzw. 8'' bzw. 32 und der im Wesentlichen einer quer zur Rotationsachse gemessenen Breite des Ventilglieds 33 entspricht.
Mit Hilfe einer in 1 angedeuteten Steuerung 38, die auf geeignete Weise mit dem jeweiligen Zusatzventil 30 verbunden ist, lässt sich das jeweilige Zusatzventil 30 so betreiben, dass es für jeden zugeordneten Zylinder 3 eine separate Öffnungsphase A erzeugt.
Das bedeutet, dass das jeweilige Zusatzventil 30 auf die Gaswechselvorgänge gemäß dem Vier-Takt-Prinzip der zugeordneten drei Zylinder 3 so abgestimmt ist, dass jeweils einem Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders 3 eine Öffnungsphase A zugeordnet werden kann.
Das jeweilige Zusatzventil 30 wird nun mit Hilfe der Steuerung 38 so betrieben, dass es für die zugehörigen Zylinder 3 unterschiedlich große Öffnungsphasen A erzeugen kann, wobei diese unterschiedlich großen bzw. unterschiedlich langen Öffnungsphasen A unmittelbar aufeinander folgen können.
Beispielsweise zeigt 4 zwei Beispiele für unterschiedlich große Öffnungsphasen A. Erkennbar ist eine kürzere oder kleinere Öffnungsphasen A₁, die sich in einem Kurbelwellenwinkelbereich von etwa 60°KWW bis etwa 180°KWW erstreckt. Ferner ist erkennbar eine größere oder längere Öffnungsphase A₂, die sich beispielsweise in einem Kurbelwellenwinkelbereich von etwa 40°KWW bis etwa 200°KWW erstreckt. Als Vergleich ist in das Diagramm der 4 eine sinusförmige Verlaufskurve E eines Einlassventils 5 eingetragen, dessen Öffnungszeitfenster von etwa 0°KWW bis etwa 240°KWW reicht.
5 zeigt nun, wie unterschiedlich große Öffnungsphasen A bei den aufeinander folgenden Beladungsphasen der aufeinander folgenden, im Ansaugtakt befindlichen Zylinder 3 aufeinander folgen. Beispielsweise lassen sich die drei dem jeweiligen Zusatzventil 30 zugeordneten Zylinder 3 aufgrund ihrer Entfernung zum Zusatzventil 30 voneinander unterscheiden. Beispielsweise besitzt ein erster Zylinder 3 ₁ die größte Entfernung zum Zusatzventil 30, ein zweiter Zylinder 3 ₂ besitzt eine mittlere Entfernung zum Zusatzventil 30 und ein dritter Zylinder 33 besitzt die kleinste Entfernung zum Zusatzventil 30. Zur Orientierung sind die indizierten Bezugszahlen auch in 1 eingetragen, um die einzelnen Zylinder 3 hinsichtlich ihres Abstands vom jeweiligen Zusatzventil 30 zu charakterisieren.
Gemäß 5 wird den drei Zylindern 3 ₁, 3 ₂ und 3 ₃ mit Hilfe des einen gemeinsamen Zusatzventils 30 jeweils eine separate Öffnungsphase A zugeordnet, wobei sich die aufeinander folgenden Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Länge bzw. Zeitdauer voneinander unterscheiden. So erhält der erste Zylinder 3 ₁ die größte Öffnungsphase A₁ während dem dritten Zylinder 3 ₃ die kleinste Öffnungsphase A3 zugemessen wird. Der zweite Zylinder 3 ₂ erhält eine mittelgroße Öffnungsphase A₂. Bemerkenswert ist, dass dabei die Öffnungszeitfenster E der Einlassventile 5 dabei gleich groß bleiben.
6 zeigt nun rein exemplarisch die Abfolge der unterschiedlichen Öffnungsphasen A bei den sechs Zylindern des Sechs-Zylinder-Motors der 1. Dabei erzeugt das eine gemäß 1 untere Zusatzventil 30 die in 6 unten gezeigten drei unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Öffnungsphasen A₁, A₂ und A₃ für die drei in 1 unten angeordneten Zylinder 3 ₁, 3 ₂ und 3 ₃, während das andere gemäß 1 obere Zusatzventil 30 für die in 1 oben gezeigten drei Zylinder 3 ₁, 3 ₂ und 3 ₃ die verschiedenen Öffnungsphasen A₁, A₂ und A₃ erzeugt. Erkennbar ergibt sich zwischen den Öffnungsphasen A des einen Zusatzventils 30 und den Öffnungsphasen A des anderen Zusatzventils 30 eine Phasenverschiebung von etwa 120°KWW, die auf die Zündfolge des Sechs-Zylinder-Vier-Takt-Motors zurückzuführen ist.
Die 7 bis 14 veranschaulichen nun das Zusammenspiel der unterschiedlichen Arbeitstakte der drei Zylinder 3, die dem einen Zusatzventil 30 zugeordnet sind. Dabei zeigen die Teilfiguren 7a bis 14a jeweils das Zusatzventil 30 im Längsschnitt in einer vereinfachten Darstellung, wobei es hier im Wesentlichen darauf ankommt, die Schließphasen B und die Öffnungsphasen A voneinander zu unterschieden. Die Teilfiguren 7b bis 14b veranschaulichen den Gasstrom. Die Teilfiguren 7c bis 14c veranschaulichen die Relation des jeweiligen Zustands bezogen auf die Rotation der Kurbelwelle 35. Zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle 35, also 720°KWW oder KW entsprechen dabei einem Arbeitszyklus oder Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1.
In den Teilfiguren 7c bis 14c sind die unterschiedlichen Takte der einzelnen Zylinder 3 entsprechend dem Vier-Takt-Prinzip aufgeführt, nämlich als „Ansaugen” für den Ansaugtakt, „Verdichten” für den Verdichtungstakt, „Verbrennung” für den Verbrennungstakt und „Ausschieben” für den Ausschiebetakt.
Bemerkenswert ist, dass im vorliegenden Fall das jeweilige Zusatzventil 30 zum Steuern einer Abgasrückführrate verwendet wird. Dementsprechend ist in den 7a bis 14a die Einleitstelle 16 erkennbar, über die rückgeführtes Abgas in den jeweiligen Frischluftkanal 8' bzw. 8'' bzw. in den Leitungsabschnitt 32 eingeleitet werden kann. Dementsprechend ist auch in den 7b bis 14b die jeweilige Rückführleitung 14 erkennbar.
Im Zustand gemäß 7 startet die Betrachtung bei 0°KW. Das Zusatzventil 30 steht bei einem Drehwinkel φ von 0° und erzeugt eine Schließphase B. Der erste Zylinder 3 ₁ befindet sich im Ansaugtakt, der zweite Zylinder 3 ₂ befindet sich im Verdichtungstakt und der dritte Zylinder 3 ₃ befindet sich im Verbrennungstakt. In diesem Zustand wird dem ersten Zylinder 3 ₁ verstärkt Abgas zugeführt, da durch die Schließphase B des Zusatzventils 30 die Zuführung von Frischluft unterbrochen ist.
8 zeigt einen Zustand bei 120°KW. Jetzt steht das Zusatzventil 30 bei einem Drehwinkel φ von 90° und erzeugt eine Öffnungsphase A, so dass der erste Zylinder 3 ₁ nunmehr verstärkt mit Frischluft versorgt wird. Der zweite Zylinder 3 ₂ befindet sich hierbei am Übergang zum Verbrennungstakt. Der dritte Zylinder 3 ₃ befindet sich im Ausschiebetakt.
9 zeigt nun den Zustand bei 240°KW. Das Zusatzventil 30 steht bei einem Drehwinkel φ von 180° und erzeugt eine Schließphase B. Folglich geht es jetzt um die Versorgung des dritten Zylinders 3 ₃ mit Abgas.
In 10 befindet sich das System bei 360°KW. Das Zusatzventil 30 zeigt einen Drehwinkel φ von 270° und ist offen. Hier geht es somit um die Versorgung des dritten Zylinders 3 ₃ mit Frischluft.
In 11 wird nun bei 480°KW und φ = 360° der zweite Zylinder 3 ₂ mit Abgas versorgt.
Gemäß 12 wird bei 600°KW und φ = 90° der zweite Zylinder 32 mit Frischluft versorgt.
Bei 13 befindet sich das System im Zustand von 720°KW (φ = 180°), so dass nun zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle 35 vollendet sind. Der Zustand gemäß 13 entspricht daher identisch dem Zustand gemäß 7.
Weitere 120°KW (φ = 270°) später zeigt sich der Zustand gemäß 14, der dem Zustand aus 8 entspricht.
Bemerkenswert ist, dass sich die Drehzahlen von Kurbelwelle 35 und Ventilglied 33 entsprechend einem Verhältnis von 4:3 zueinander bewegen.
Um die Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Größe bzw. hinsichtlich ihrer Zeitdauer variieren zu können, ist beim rotierenden Ventilglied 33 vorgesehen, die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds 33 zu verändern, und zwar dynamisch, also innerhalb einer einzigen Umdrehung des Ventilglieds 33. Sofern das Ventilglied 33 wie in den hier gezeigten Beispielen während einer vollständigen Umdrehung zwei Öffnungsphasen A und zwei Schließphasen B aufweist, kann die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds 33 so variiert werden, dass innerhalb einer einzigen Umdrehung zwei verschiedene Öffnungsphasen A realisiert werden können.
Wie sich den 4 bis 6 entnehmen lässt, kann das jeweilige Zusatzventil 30 zweckmäßig so betätigt werden, dass die Öffnungsphasen A eine vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 35 aufweisen. Beispielsweise befindet sich in 4 der Scheitelpunkt der jeweiligen Verlaufskurve der Öffnungsphase A jeweils bei etwa 120°KWW und bei 5 etwa mittig zur Erhebungskurve E des jeweiligen Einlassventils. Auch 6 lässt sich entnehmen, dass aufeinanderfolgende Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Scheitelpunkte bzw. ihrer Mittelpunkte oder Mitten jeweils den gleichen Abstand haben, nämlich 240°KWW.
Das Verändern der Öffnungsphasen A kann somit bevorzugt so durchgeführt werden, dass die vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel erhalten bleibt.
Zum Vergrößern der Öffnungsphase A ist es daher möglich, sowohl die vorausgehende als auch die nachfolgende Schließphase B zu verkleinern, und zwar derart, dass eine Periodendauer konstant bleibt. Die jeweilige Periodendauer bemisst sich beispielsweise durch den zeitlichen Abstand oder den Kurbelwellenwinkel zwischen den Mitten von zwei aufeinanderfolgenden Öffnungsphasen A. Bei den hier gezeigten Beispielen beträgt diese Periodendauer etwa 240°KWW. Sofern die Öffnungsphase A verkleinert werden soll, kann es zweckmäßig sein, die vorausgehende und die nachfolgende Schließphase B zu vergrößern, derart, dass die Periodendauer konstant bleibt.
Wie erwähnt, wird im gezeigten Beispiel das jeweilige Zusatzventil 30 dazu verwendet, die Abgasrückführrate zu steuern. Je länger die Schließphase B andauert, desto mehr Abgas kann angesaugt bzw. rückgeführt werden. Sofern das jeweilige Zusatzventil 30 zum Steuern der Abgasrückführrate verwendet wird, kann grundsätzlich auf die in 1 dargestellten Rückführventile 29 verzichtet werden.
Die unterschiedlichen Öffnungsphasen A berücksichtigen die unterschiedlichen Strömungspfade vom jeweiligen Zusatzventil 30 bis zum jeweiligen Zylinder 31, 3 ₂, 3 ₃ und reduzieren daraus resultierende Asymmetrien hinsichtlich der Versorgung des jeweiligen Zylinders 3 mit Frischluft bzw. mit rückgeführtem Abgas.
Sofern wie im gezeigten Beispiel das jeweilige Zusatzventil 30 mit Hilfe eines Elektromotors 31 angetrieben wird, kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, den Elektromotor 31 mit einer stetigen Ansteuerfunktion f(x) anzusteuern. Diese Ansteuerfunktion f(x) ist zweckmäßig das Produkt aus zumindest zwei stetigen Teilfunktionen g(x) und h(x). Die beiden Teilfunktionen g(x) und h(x) sind insbesondere Sinusfunktionen. Die erste Teilfunktion g(x) ist beispielsweise eine Sinusfunktion erster Potenz, während die zweite Teilfunktion h(x) beispielsweise eine Sinusfunktion dritter Potenz sein kann. Besonders vorteilhaft ist nun eine Auslegung, bei welcher der Nulldurchgang der ersten Teilfunktion g(x) mit negativer Ableitung auf die Mitte der Öffnungsphase A des Zusatzventils 30 eingestellt wird. Gleichzeitig wird das Maximum der zweiten Teilfunktion h(x) auf die Mitte der Öffnungsphase A des Zusatzventils 30 eingestellt. Durch die vorgeschlagene Auslegung der Ansteuerfunktion f(x) lässt sich ein besonders harmonischer Verlauf für das Ventilglied 33 realisieren.
Wie sich 1 entnehmen lässt, besitzt die Fischluftanlage 7 stromab des jeweiligen Zusatzventils 30 bis zu den Gaswechselventilen 5, 6 und stromauf des jeweiligen Zusatzventils 30 keine steuerbare Drossel. Insoweit ist die Frischluftanlage 7 ungedrosselt bzw. drosselfrei ausgestaltet. Die Beladungssteuerung der einzelnen Zylinder 3 kann mit Hilfe des jeweiligen Zusatzventils 30 realisiert werden, nämlich durch die entsprechende Bemessung der Öffnungsphasen A.
Während die vorstehende Beschreibung weitgehend auf stationäre Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 abstellt, bei denen insbesondere gleichbleibende Drehzahlen und/oder gleiche Leistungen von der Brennkraftmaschine 1 gefordert werden, betrifft die nachfolgende Beschreibung das Verhalten der Steuerung 38 bzw. die Anpassung der Öffnungsphasen A bei unterschiedlichen Betriebszuständen. Abhängig vom Betriebszustand kann es nämlich erforderlich sein, die Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Länge zu verändern, beispielsweise um für den jeweiligen Betriebszustand optimale Werte für Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission zu erzielen. Dabei kann grundsätzlich die vorstehende Individualisierung der Öffnungsphasen A für die einzelnen Zylinder 3 unberücksichtigt bleiben. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher während eines stationären Betriebszustands den demselben Zusatzventil 30 zugeordneten Zylindern 3 unterschiedliche Öffnungsphasen zugemessen werden und bei welcher beim Wechsel zwischen zwei stationären Betriebszuständen die Öffnungsphasen A variiert werden können.
Mit anderen Worten, die zylinderspezifische oder lokale Variation der Öffnungsphasen A dient zur Homogenisierung der Zuführung von Frischluft bzw. von rückgeführtem Abgas bezüglich der einzelnen Zylinder 3. Die generelle oder globale Variation der Öffnungsphasen A dient zur Anpassung der Öffnungsphasen A aller Zylinder 3 an sich ändernde Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1. Diese beiden unterschiedlichen Variationen (global bzw. lokal) lassen sich grundsätzlich getrennt betrachten. Bevorzugt ist jedoch eine kombinierte Betrachtung, so dass die jeweilige Steuerung 38 auch bei sich ändernden Betriebszuständen und damit einhergehenden global variierten unterschiedlichen Öffnungsphasen A die lokale Variation zur Homogenisierung der Versorgung der einzelnen Zylinder 3 mit Frischluft bzw. rückgeführtem Abgas durch entsprechendes Adaptieren der Öffnungsphasen A realisiert.
Um nun die Öffnungsphasen A für eine Anpassung an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 variieren zu können, kann wie erläutert die Öffnungsdauer der jeweiligen Öffnungsphase A verändert werden. Hierzu lassen sich grundsätzlich ein Öffnungszeitpunkt und ein Schließzeitpunkt des Zusatzventils 30 verschieben. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine vorgehensweise, bei der zum Variieren der Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Öffnungsdauer ausschließlich der Schließzeitpunkt der Öffnungsphase A hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel variiert wird, während der Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase A hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel konstant gehalten wird. Es hat sich gezeigt, dass diese Vorgehensweise besonders vorteilhaft ist hinsichtlich der erzielbaren Werte für Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen.
Die 15a bis 15f zeigen Erhebungskurven E für Einlassventile 5 und Erhebungskurven V für Auslassventile 6. Ferner sind die Schließphasen B und die Öffnungsphasen A des Zusatzventils 30 erkennbar. Des Weiteren enthält jedes Diagramm 15a bis 15f eine vertikale Linie 39, die den Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase A repräsentiert, die dem Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders 3 zugeordnet ist. Ferner definiert eine vertikale Linie 40 den Schließzeitpunkt, zu dem die jeweilige Öffnungsphase A beendet ist. Eine Öffnungsdauer 41 ergibt sich dann aus der Differenz von Schließzeitpunkt 40 und Öffnungszeitpunkt 39.
Die 15a bis 15f zeigen nun eine Abfolge unterschiedlicher Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1, die jeweils unterschiedlich große Öffnungsdauern 41 erfordern. In der Abfolge der Diagramme der 15a bis 15f nimmt besagte Öffnungsdauer 41 ab. Hierzu wird der Schließzeitpunkt 40 in Richtung kleinerer Kurbelwellenwinkel verschoben, während der Öffnungszeitpunkt 39 konstant bleibt.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil 30 ein permanent rotierendes Ventilglied 33 aufweisen, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase B bildenden Schließwinkelbereich β und zumindest einen eine solche Öffnungsphase A bildenden Öffnungswinkelbereich α durchfährt, wobei zum Variieren des Schließzeitpunkts 40 die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds 33 innerhalb einer vollständigen Umdrehung variiert wird, so dass während der Öffnungsphasen A andere Rotationsgeschwindigkeiten vorliegen als während der Schließphasen B.
Beispielsweise kann dann zum Verkürzen der Öffnungsdauer 41 die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase A erhöht und in der Schließphase B reduziert werden, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts 39 zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt. Durch das Konstanthalten der Phasenlage des Öffnungszeitpunkts 39 beruht die Veränderung der Öffnungsdauer 41 ausschließlich auf einer Verschiebung des Schließzeitpunkts 40. Entsprechendes gilt für ein Vergrößern der Öffnungsdauer 41, was dadurch erreicht wird, dass die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase A reduziert und in der Schließphase B erhöht wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts 39 zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Entsprechend einer speziellen Ausführungsform kann für den jeweiligen Zylinder 3 der Öffnungszeitpunkt 39 der Öffnungsphase A des jeweiligen Zusatzventils 30 unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 mit einem durch die Gaswechselventile 5, 6 gesteuerten Einlassbeginn (Beginn der Erhebungskurve E des Einlassventils 5) zusammenfallen oder maximal einen Abstand von 10° Kurbelwellenwinkel oder maximal einen Abstand von 5° Kurbelwellenwinkel aufweisen. Ein derartiger Zusammenhang zwischen Öffnungszeitpunkt 39 und Einlassbeginn kann für eine vorbestimmte Betriebsstrategie einzuhalten sein, beispielsweise zur Optimierung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs mit niedrigen Schadstoffemissionen. Bei einer anderen Betriebsstrategie, die beispielsweise zu einer raschen Aufwärmung der Brennkraftmaschine 1 führen soll, können natürlich auch andere Zusammenhänge zwischen Öffnungszeitpunkt 39 und Einlassbeginn gewählt werden. Beispielsweise können für die eingangs genannte Wärmeladung (Miller-Verfahren bzw. Atkinson-Verfahren) andere Zusammenhänge von Öffnungszeitpunkt 39 und Einlassbeginn relevant sein.
Die hier vorgeschlagene Variation der Öffnungsphasen A zur Adaption an sich ändernde Betriebszustände durch Verschieben des Schließzeitpunkts 40 und Konstanthalten des Öffnungszeitpunkts 39 kann bei Frischluftanlagen 7 durchgeführt werden, die für jeden Zylinder 3 ein separates Zusatzventil 30 aufweisen.
Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform kann der jeweilige Frischluftkanal 8', 8'', in dem das jeweilige Zusatzventil 30 angeordnet ist, zu mehreren Zylindern 3 führen, so dass jeweilige Zusatzventil 30 mehreren Zylindern 3 zugeordnet ist, für die es jeweils separate Öffnungsphasen A erzeugt. Da sich ein derartiges Zusatzventil 30 mit hoher Dynamik betreiben und ansteuern lässt, kann es ausreichen, ein einziges Zusatzventil 30 mehreren Zylindern 3 zuzuordnen, um für die Zylinder 3 separate Öffnungsphasen A bereitstellen zu können. Insbesondere kann vorgesehen sein, das jeweilige Zusatzventil 30 so zu betreiben, dass es für die zugeordneten Zylinder 3 unterschiedlich große Öffnungsphasen A erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006028146 A1 [0005]
DE 102006037934 A1 [0005]
DE 102007004264 A1 [0005]
DE 102008036494 A1 [0006]
WO 2010/007026 A1 [0007]
DE 102009020171 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, – wobei die Brennkraftmaschine (1) in einem Motorblock (2) mehrere mit Gaswechselventilen (5, 6) gesteuerte Zylinder (3) und eine den Zylindern (3) Frischluft zuführende Frischluftanlage (7) aufweist, die wenigstens ein Zusatzventil (30) aufweist, das in einem zu mindestens einem Zylinder (3) führenden Frischluftkanal (8', 8'') stromauf der zugehörigen Gaswechselventile (5, 6) angeordnet ist, – bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass sich Öffnungsphasen (A), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8'') öffnet, und Schließphasen (B), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8'') schließt, abwechseln, – bei dem Öffnungsphasen (A) abhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) variiert werden, um die Öffnungsphasen (A) an den aktuellen Betriebszustand anzupassen, – bei dem das Variieren der Öffnungsphasen (A) zum Anpassen an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) so erfolgt, dass eine in Grad Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle (35) der Brennkraftmaschine (1) gemessene Öffnungsdauer (41) der Öffnungsphase (A) variiert wird, wozu ein Schließzeitpunkt (40) der Öffnungsphase (A) hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel variiert wird, während ein Öffnungszeitpunkt (39) der Öffnungsphase (A) hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zusatzventil (30) ein permanent rotierendes Ventilglied (33) aufweist, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase (B) bildenden Schließwinkelbereich (β) und zumindest einen eine solche Öffnungsphase (A) bildenden Öffnungswinkelbereich (α) durchfährt, wobei zum Variieren des Schließzeitpunkts (41) die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds (33) innerhalb einer vollständigen Umdrehung variiert wird, so dass während der Öffnungsphasen (A) andere Rotationsgeschwindigkeiten vorliegen als während der Schließphasen (B).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass zum Verkürzen der Öffnungsdauer (41) die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase (A) erhöht und in der Schließphase (B) reduziert wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts (39) zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt, und/oder – dass zum Vergrößern der Öffnungsdauer (41) die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase (A) reduziert und in der Schließphase (B) erhöht wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts (39) zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Zylinder (3) der Öffnungszeitpunkt (39) der Öffnungsphase des jeweiligen Zusatzventils (30) und ein durch die Gaswechselventile (5, 6) gesteuerter Einlassbeginn zusammenfallen oder maximal einen Abstand von 10° Kurbelwellenwinkel oder maximal einen Abstand von 5° Kurbelwellenwinkel aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Frischluftkanal (8', 8''), in dem das jeweilige Zusatzventil (30) angeordnet ist, zu mehreren Zylindern (3) führt, so dass das jeweilige Zusatzventil (30) mehreren Zylindern (3) zugeordnet ist, für die es jeweils separate Öffnungsphasen (A) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass es für die zugeordneten Zylinder (3) unterschiedlich große Öffnungsphasen (A) erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zusatzventil (30) ein permanent rotierendes Ventilglied (33) aufweist, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase (B) bildenden Schließwinkelbereich (β) und zumindest einen eine solche Öffnungsphase (A) bildenden Öffnungswinkelbereich (α) durchfährt, wobei zum Verändern aufeinander folgender Öffnungsphasen (A) die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds (33) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, – dass das jeweilige Zusatzventil (30) so betätigt wird, dass die Öffnungsphasen (A) eine vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle (35) der Brennkraftmaschine (1) aufweisen, – dass das Verändern der Öffnungsphasen (A) so erfolgt, dass die vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle (35) erhalten bleibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass für den Fall, dass eine solche Öffnungsphase (A) vergrößert wird, die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase (B) verkleinert wird/werden, derart, dass eine Periodendauer konstant bleibt, und/oder – dass für den Fall, dass eine solche Öffnungsphase (A) verkleinert wird, die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase (B) vergrößert wird/werden, derart, dass eine Periodendauer konstant bleibt, – wobei die jeweilige Periodendauer durch den zeitlichen Abstand zwischen den Mitten von zwei aufeinanderfolgenden Öffnungsphasen (A) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkanal (8', 8'') vom jeweiligen Zusatzventil (30) zu den zugehörigen Zylindern (3) unterschiedliche Strömungspfade aufweist, die am jeweiligen Zylinder (3) bei gleichen Öffnungsphasen (A) zu Unterschieden in der Frischluftbefüllung und/oder Abgasrückführrate führen würden, wobei die unterschiedlichen Öffnungsphasen (A) so auf die unterschiedlichen Strömungspfade abgestimmt sind, dass die genannten Unterschiede reduziert, insbesondere eliminiert, werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zusatzventil (30) ein mit Hilfe eines Elektromotors (31) permanent rotierend angetriebenes Ventilglied (33) aufweist, wobei der Elektromotor (31) zum Erzeugen variierender Rotationsgeschwindigkeiten während einer Umdrehung des Ventilglieds (33) mit einer stetigen Ansteuerfunktion (f(x)) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfunktion (f(x)) das Produkt aus wenigstens zwei stetigen Teilfunktionen (g(x), h(x)) ist, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, – dass die jeweilige Teilfunktion (g(x), h(x)) jeweils eine Sinusfunktion beinhaltet, – dass eine erste Teilfunktion (g(x)) eine Sinusfunktion erster Potenz ist, – dass eine zweite Teilfunktion (h(x)) eine Sinusfunktion dritter Potenz ist, – dass der Nulldurchgang der ersten Teilfunktion (g(x)) mit negativer Ableitung auf die Mitte der Öffnungsphase (A) des Zusatzventils (30) eingestellt ist, – dass das Maximum der zweiten Teilfunktion (h(x)) auf die Mitte der Öffnungsphase (A) des Zusatzventils (30) eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, – dass bei einem Vier-Takt-Motor für jeweils drei Zylinder (3) ein einziges, diesen drei Zylindern (3) zugeordnetes Zusatzventil (30) vorgesehen ist, – wobei insbesondere bei einem Vier-Takt-Motor mit genau drei Zylindern (3) genau ein solches Zusatzventil (30) vorgesehen ist oder bei einem Vier-Takt-Motor mit genau sechs Zylindern (3) genau zwei solche Zusatzventile (30) vorgesehen sind, die jeweils drei Zylindern (3) zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, – dass die Frischluftanlage (7) stromab des jeweiligen Zusatzventils (30) bis zu den Gaswechselventilen (5, 6) und stromauf des jeweiligen Zusatzventils (30) keine steuerbare Drossel enthält, und/oder – dass das jeweilige Zusatzventil (30) zur Beladungssteuerung der zugeordneten Zylinder (3) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zusatzventil (30) zum Steuern einer Abgasrückführrate verwendet wird, wobei sich die Abgasrückführrate antiproportional zur Größe der Öffnungsphase (A) verhält.