DE102011114065A1

DE102011114065A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011114065A1
Application number: DE102011114065A
Authority: DE
Inventors: Markus Schilling; Frank Otto; Sebastian Donath; Dr. Karl Günter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013041164A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mehreren Zylindern, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist und mit zumindest einem dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Einlassventils sowie zumindest einem dem jeweiliger Zylinder zugeordneten Auslassventils. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine bei hohen Aufladegraden ergibt sich, wenn das Einlassventil während eines Auslassvorgangs durch das Auslassventil desselben Zylinders verfrüht geöffnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Zur Verbrennung von einem Kraftstoff weist eine Brennkraftmaschine in der Regel mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein hubverstellbarer Kolben angeordnet ist. Zur Versorgung des jeweiligen Zylinders mit Frischluft bzw. zur Abführung des durch die Verbrennung entstandenen Abgases sind jedem Zylinder zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil zugeordnet. Die jeweiligen Einlassventile und Auslassventile werden üblicherweise mittels Nocken einer Nockenwelle betätigt und ermöglichen somit die Zuführung der Frischluft sowie die Abführung des Abgases aus einer Brennkammer des jeweiligen Zylinders. Die Brennkraftmaschine kann eine Kraftstoffdirekteinspritzung aufweisen, die den Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder einspritzt. Hierdurch erfolgt die Vermischung des Kraftstoffes mit der Frischluft, abweichend von einem Vergasermotor, direkt in der Brennkammer. Durch Kühlung der Frischladung mittels des verdampfenden flüssigen Kraftstoffs wird ein unkontrolliertes Verbrennen des Kraftstoffes in der Brennkammer und folglich eine Klopfneigung vermieden bzw. reduziert. Der Einsatz der Kraftstoffdirekteinspritzung führt, insbesondere in Kombination mit Schichtladung, zur Bildung von umweltschädlichen Stickoxiden. Um dem Ausstoß dieser umweltschädlichen Gase bei hohen Drehzahlen entgegenzuwirken, kann die Brennkraftmaschine variable Nocken bzw. Nockenwellen aufweisen. Damit ist es möglich, die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlassventile und Auslassventile überlappen zu lassen, um eine Menge des Abgases beispielsweise in die Abgasabführung oder die Frischluftzuführung strömen zu lassen und anschließend wieder in die Brennkammer zurückzuführen und mit Frischluft zu mischen. Durch niedrigere Verbrennungstemperaturen wird die Menge an schädlichen Abgasen reduziert. Zudem erlaubt diese sogenannte innere heiße Abgasrückführung eine Effizienzsteigerung der Brennkraftmaschine, weil durch höhere Zylinderinnentemperaturen eine bessere Umsetzung des Kraftstoffs erzielt werden kann.
Derartige Brennkraftmaschinen sind beispielsweise aus der DE 103 44 913 A1 sowie aus der DE 10 2009 034 763 A1 bekannt.
Nachteilig dabei ist, dass bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten, bedingt durch die Klopfneigung, ein verspätetes Zünden des Kraftstoffes im Zylinder erforderlich ist, wodurch der Wirkungsgrad und somit die Effizienz der Brennkraftmaschine reduziert wird.
Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine kann die variable Nockenwelle bzw. eine variable Nockensteuerung auch dazu benutzt werden, zusätzliche Frischluft in die Brennkammer zu führen. Beim sogenannten Scavenging wird somit die Leistung eines vom Abgas der Brennkraftmaschine angetriebenen Abgasturboladers erhöht.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung, ein zusätzliches oder alternatives Verfahren anzugeben, die sich insbesondere durch das Bewirken einer verbesserten Effizienz der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Einlassventil eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bei niedrigen Aufladegraden und somit niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu öffnen, während ein zugehöriges Auslassventil des Zylinders offen ist, und somit den Zylinder mit Frischluft zu spülen. Die Brennkraftmaschine weist dabei üblicherweise mehrere derartige Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Jeweils ein Zylinder weist zudem zumindest ein derartiges Einlassventil sowie zumindest ein derartiges Auslassventil auf. Durch das Einlassventil wird der jeweilige Zylinder, bzw. eine durch den jeweiligen Zylinder, den Kolben sowie das Einlassventil und das Auslassventil begrenzte Brennkammer über eine Frischluftzuführung mit Frischluft versorgt. Das durch die Verbrennung eines Kraftstoffes im jeweiligen Zylinder entstehende Abgas wird über das Auslassventil und eine Abgasabführung aus dem Zylinder bzw. der Brennkammer geführt. Die Brennkraftmaschine weist weiter üblicherweise eine Kraftstoffdirekteinspritzung auf, die den Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder bzw. in die jeweilige Brennkammer einspritzt. Somit findet eine Vermischung des Kraftstoffs im Zylinder statt. Die Erfindung nutzt zunächst die Kenntnis, dass bei hohen Aufladegraden, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, eine Klopfneigung, also ein unkontrolliertes Verbrennen des Kraftstoffes im Zylinder, durch einen hohen Druck sowie eine hohe Temperatur des Abgases im Zylinder verursacht wird. Zudem nutzt die Erfindung die Kenntnis, dass bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine der auf der Seite des Einlassventils bzw. einer Einlassseite herrschende Druck zumindest zeitweise größer ist als der auf der Seite des Auslassventils bzw. einer Auslassseite herrschende Druck. Das erfindungsgemäße verfrühte Öffnen des Einlassventils bei niedrigen Drehzahlen führt folglich dazu, dass das Auslassventil und das zugehörige Einlassventil über einen vorgegebenen Zeitraum gleichzeitig geöffnet sind und somit der auf der Einlassseite herrschende höhere Druck in der Frischluft eine Strömung hin zur Auslassseite bewirkt. Somit wird Frischluft aus der Frischluftzuführung in den Zylinder eingebracht und das mit hoher Temperatur und hohem Druck vorhandene Abgas über die Auslassseite bzw. der Abgasabführung ausgespült. Dieses Spülen des Zylinders bzw. der Brennkammer führt zu einer Absenkung der Temperatur bzw. des Drucks und somit zu einer reduzierten Klopfneigung der Brennkraftmaschine. Dies hat zur Folge, dass eine verspätetes Zünden des Kraftstoffes reduziert oder vermieden werden kann, was zu einem höheren Wirkungsgrad bzw. zu einer höheren Effizienz der Brennkraftmaschine bei hohen Aufladegraden führt.
Hierbei wird der Druckunterschied zwischen der Auslassseite und der Einlassseite bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine also zum Spülen des Zylinders genutzt, während der Druckunterschied bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine beim Scavenging zum Antrieb bzw. zur Antriebsunterstützung einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, genutzt wird.
Um ein verfrühtes Öffnen des Einlassventils zu gewährleisten, kann die Brennkraftmaschine eine variable Nockenwelle aufweisen, wobei die Nocken der Nockenwelle einem Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlassventile und Auslassventile dienen. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Form der jeweiligen Nocken realisiert sein.
Die Form der Nocken kann beispielsweise derart ausgebildet bzw. ausgestaltet sein, dass eine Ventilhubkurve bzw. eine Kurbelwellenwinkelkurve des Einlassventils ein Plateau aufweist, welches das Überschneiden eines offenen Zustands des Auslassventils und eines offenen Zustandes des Einlassventils bewirkt. Alternativ kann die Ventilhubkurve vier Wendepunkte aufweisen. Hierbei wird das Einlassventil bis zu einem bestimmten Hubwert geöffnet, wonach die Öffnung verkleinert wird um anschließend wieder weiter geöffnet zu werden. Mit anderen Worten, die Ventilhubkurve weist zumindest ein Minimum zwischen mindestens zwei Maxima auf. Die besagten Formen der Ventilhubkurve bzw. der Kurbelwellenwinkelkurve sind dabei insbesondere für den mit einer Ventilhubkurve des Auslassventils Überlappenden Bereich gültig, so dass über einen gewissen Zeitraum sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil geöffnet sind. Dies gilt insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, womit ein Strömen von Frischluft durch das Einlassventil in den Zylinder und ein anschließendes Ausströmen durch das Auslassventil erreicht wird.
Zweckmäßig kann die Brennkraftmaschine einen Detektor bzw. eine Sensoreinrichtung aufweisen, welche die niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erkennt und das Verfahren einleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung die Klopfneigung der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen erkennen und das Verfahren entsprechend starten.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf mehreren Einlassventilen eines oder mehrerer Zylinder anwendbar ist. Ferner wird darauf hingewiesen, dass ein Zeitraum, in dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil geöffnet sind, ebenfalls durch eine Verschiebung der Öffnungs- bzw. Schließzyklen des Auslassventils und somit durch eine Verschiebung der Ventilhubkurve des Auslassventils erreicht werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung.
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 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional ähnliche Bestandteile beziehen.
Die einzige 1 zeigt eine Ventilhubkurve eines Auslassventils und eine Ventilhubkurve eines Einlassventils, das verfrüht geöffnet wird.
1 zeigt eine Ventilhubkurve 1 eines Einlassventils und eine Ventilhubkurve 2 eines zugehörigen Auslassventils einer Brennkraftmaschine. Hierbei ist auf der X-Achse 3 der Kurbelwinkel im Grad aufgetragen, während die Y-Achse 4 den Ventilhub in mm zeigt. Die Ventilhubkurve 3 des Auslassventils verläuft im Wesentlichen parabelartig. Die Ventilhubkurve 1 des Einlassventils weist hingegen in einem Überlappbereich 5 eine von einem rein parabolischen Verlauf abweichende Form auf. In dem Überlappbereich 5, der sich von etwa 240° bis ca. 390° erstreckt, wird dadurch ein Zeitraum erweitert, während dem sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil geöffnet sind.
Es sind zwei unterschiedliche Möglichkeiten aufgezeigt, um diesen Zeitraum, in dem das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet sind, zu erreichen. Bei einer durch die Teilkurve 6' dargestellten ersten Möglichkeit, wird das Einlassventil während eines Öffnungsvorganges 7 des Auslassventils geöffnet, wobei das Einlassventil einen Hubwert von ca. 4 mm erreicht, um während eines Schließvorganges 8 des Auslassventils auf den Hubwert Von ca. 2,5 mm reduziert zu werden. Danach geht die Kurve 6' in den parabolisch verlaufenden Bereich der Ventilhubkurve 1 des Einlassventils über, der den Verlauf der Ventilhubkurve 1 darstellt, bei der kein verfrühtes Öffnen bzw. des Einlassventils realisiert wäre. Die erste Kurve 6' weist somit zwei Maxima 9 bei ca. 310° und 465° mm auf, zwischen denen ein Minimum 10 bei ca. 365° mm angeordnet ist.
Alternativ kann das Einlassventil gemäß dem Verlauf der Teilkurve 6'' betätigt werden. Hierbei wird das Einlassventil durch einen Hub von ca. 2,5 mm geöffnet und bleibt ungefähr zwischen dem Kurbelwinkelbereich 310° und 360° im Wesentlichen bei dieser Öffnung. Anschließend geht die Kurve 6'' in den parabolischen Bereich der Ventilhubkurve 1 des Einlassventils über. Beide Teilkurven 6', 6'' weisen zudem zumindest vier Wendepunkte auf. Der erweiterte Überlappbereich 5 und somit der erweiterte Zeitraum, in dem das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet sind, wird erfindungsgemäß bei hohen Aufladegraden der Brennkraftmaschine, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der der Brennkraftmaschine, realisiert. Aufgrund eines Druckgefälles zwischen dem Einlassventil und dem Auslassventil kann Frischluft in ein zum Einlassventil und zum Auslassventil zugehörigen Zylinder strömen und anschließend durch das Auslassventil hinausströmen. Dabei wird ein im Zylinder vorhandenes Abgas aus dem Zylinder gespült und somit die Temperatur und der Druck innerhalb des Zylinders abgebaut. Das Ausspülen des Zylinders bewirkt eine Verhinderung oder zumindest Reduzierung einer Klopfneigung der Brennkraftmaschine und kann zu einer Effizienzsteigerung bzw. zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine genutzt werden.
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 10344913 A1 [0003]
DE 102009034763 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mehreren jeweils in einem Zylinder hubverstellbar angeordneten Kolben und mit zumindest einem jeweils einem Zylinder zugeordneten Einlassventil und mit zumindest einem jeweils einem Zylinder zugeordneten Auslassventil, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Aufladegraden der Brennkraftmaschine während des Auslassvorgangs durch das Auslassventil das Einlassventil des selben Zylinders verfrüht geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verfrühte Öffnen des Einlassventils bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilhubkurve-/Kurbelwellenwinkelkurve (1) des verfrüht öffnenden Einlassventils zumindest vier Wendepunkte aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhubkurve-/Kurbelwellenwinkelkurve (1) des verfrüht öffnenden Einlassventils ein Plateau aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhubkurve-/Kurbelwellenwinkelkurve (1) des verfrüht öffnenden Einlassventils ein Minimum (10) zwischen zwei Maxima (9) aufweist.