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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Behälter zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas, welches einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, sowie ein zugehöriges Steuerverfahren.
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Im Bestreben, den Kraftstoffverbrauch moderner Kraftfahrzeuge weiter zu reduzieren, kommen zunehmend aufgeladene Brennkraftmaschinen, insbesondere turboaufgeladene Brennkraftmaschinen, zum Einsatz. Durch die Aufladung ist es möglich, Brennkraftmaschinen mit verringertem Hubraum bei gleichzeitig hoher Drehmoment- und Leistungsabgabe bereitzustellen. Insbesondere im unteren und mittleren Lastbereich ergeben sich Verbrauchsvorteile gegenüber Saugmotoren mit größerem Hubraum und vergleichbarer Leistungsabgabe.
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Bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen ist jedoch das verzögerte Ansprechverhalten im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine als nachteilig anzusehen. Dieses, auch als „Turboloch” bezeichnete Phänomen schränkt die Fahrdynamik und den Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs ein. Bis zum Aufbau des vollen Ladedrucks ist die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluftmenge und damit auch die Abgasrückführrate deutlich reduziert, was sich nachteilig auf das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt.
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Aus den Druckschriften
FR 2 901 846 A1 und
CH 701 760 A1 sind Brennkraftmaschinen mit einem zusätzlichen Druckluftbehälter bekannt, um in bestimmten Betriebszuständen zusätzliche Verbrennungsluft zuzuführen. Diese Lösungen sind jedoch teuer und konstruktiv aufwändig, da für die Zufuhr der Druckluft in die Brennräume eigene Versorgungskanäle und Einlassventile vorgesehen sind.
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Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Druckschrift
DE 102 24 719 A1 bekannt. Diese betrifft eine Einrichtung zum Speisen von Zylindern von aufgeladenen Verbrennungsmotoren und ein dazugehöriges Verfahren zum Betreiben der Einrichtung. Dabei ist vorgesehen, bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren eine Zusatzlufteinrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zum Erzeugen von gezielt variablen Ladungsbewegungen in Zylindern zu schaffen, die eine Leitströmung im jeweiligen Ansaugkanal vor geöffneten Einlassventilen zum Einstellen vom Betriebszustand abhängiger Ladungsbewegung und Füllung im Zylinder in weiteren Betriebsbereichen ermöglicht.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 057 544 A1 beschreibt weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer tragend und stabilisierend wirkenden Karosserie, mit einer darin angebrachten Verbrennungskraftmaschine, mit einer Aufladevorrichtung, die mit der Verbrennungskraftmaschine von dieser antreibbar gekoppelt ist und mit einem Druckspeicher, der zum Aufnehmen von komprimierter Zuluft, die der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist, ausgelegt ist, wobei der Druckspeicher als integraler Bestandteil der Karosserie ausgebildet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 008 723 A1 beschreibt weiterhin ein Verfahren zum Erzeugen von Druckluft und Einblasen derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasturbolader. Dabei sind die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen: Ermitteln von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine zum Bestimmen von Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine; Erzeugen von Druckluft durch die Verbrennungskraftmaschine anhand der ermittelten Betriebsparameter in einem verbrennungslosen Betriebszustand und Speichern der erzeugten Druckluft und Einblasen der gespeicherten Druckluft in die Verbrennungskraftmaschine anhand der ermittelten Betriebsparameter in einem Verbrennungsbetriebszustand der Verbrennungskraftmaschine zur Druckerhöhung in einem Ansaugtrakt.
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Als weiterer Stand der Technik ist die Druckschrift
DE 10 2006 039 300 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Einrichtung zur Frischgasversorgung für eine turboaufgeladene, selbstzündende Kolbenbrennkraftmaschine mit Frischgasversorgungsleitung und Abgassammelleitung, zwischen denen eine AGR-Vorrichtung eingebaut ist, umfassend einen rohrförmigen Innenraumabschnitt der Frischgasversorgungsleitung, in den seitlich ein Druckluftanschluss einmündet, der mit einer Mengenregelvorrichtung versehen ist, sowie eine im Innenraumabschnitt angeordnete verstellbare Klappe zur Durchflussregulierung, wobei der Innenraumabschnitt einen ersten Endanschluss zur Einströmung sowie einen zweiten Endanschluss zur Ausströmung von Ladeluft eines Abgasturboladers aufweist. Die Klappe ist zwischen Druckluftanschluss und dem ersten Endanschluss angeordnet und an eine Verstellvorrichtung angekoppelt, die zur Betätigung an eine die Sensorsignale verarbeitende, elektronische Steuereinheit der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen ist. Dabei ist vorgesehen, dass das elektronisch gesteuerte, die Abgasdurchflussmenge regelnde Regelventil der AGR-Vorrichtung an die elektronische Steuereinheit der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen ist, um eine synchronisierte Betätigung der Klappe mit der Mengenregelvorrichtung und dem Regelventil der AGR-Vorrichtung zu realisieren.
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Schließlich beschreibt die Druckschrift
WO 2004/072448 A2 eine Brennkraftmaschine mit einer luftverdichtenden Kompressoreinrichtung.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Steuerverfahren bereitzustellen, mittels denen das Abgasverhalten und die Leistungsfähigkeit Brennkraftmaschine auf konstruktiv einfachere Weise verbessert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Steuerverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 1 weist zumindest einen Brennraum und einen Ansaugkanal zur Zufuhr von Verbrennungsluft zu dem mindestens einen Brennraum auf, wobei der Ansaugkanal zumindest zwei Teilkanäle aufweist und wobei in zumindest einem der Teilkanäle ein steuerbares Sperrglied zum Variieren des Strömungsquerschnitts angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine weist ferner einen Behälter zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas auf, der an einer Position stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds mit dem entsprechenden Teilkanal verbunden ist, um druckbeaufschlagtes Gas in den entsprechenden Teilkanal einzuleiten und dem mindestens einem Brennraum zuzuführen.
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Bei der Brennkraftmaschine kann es sich sowohl um einen Dieselmotor als auch um einen Ottomotor handeln. Der Ansaugkanal verzweigt sich, zumindest abschnittsweise, in zumindest zwei Teilkanäle. Dabei ist zumindest in einem der Teilkanäle ein steuerbares Sperrglied, insbesondere eine steuerbare Klappe, zum Variieren des Strömungsquerschnitts, insbesondere zum vollständigen Schließen des Teilkanals, angeordnet. Bei einem Dieselmotor kann dieses Sperrglied als sogenannte „Drallklappe” (im Englischen auch tumble flap genannt) ausgebildet sein, um der den Brennraum zugeführten Frischluft eine bestimmte Strömungsrichtung oder Turbulenz aufzuprägen, was die Gemischaufbereitung sowie die Verbrennung positiv beeinflusst. Eine derartige Konfiguration ist auch bei Ottomotoren, insbesondere bei Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung, möglich. Dadurch, dass die Zufuhr des im Speicherbehälter gespeicherten Druckgases in den entsprechenden Teilkanal stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds erfolgt, ergeben sich hinsichtlich der Leistungsabgabe, des Ansprechverhaltens und der Abgasemissionen deutliche Vorteile. So kann das steuerbare Sperrglied bei Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas vom Speicherbehälter in den entsprechenden Teilkanal derart angesteuert werden, dass sich der Strömungsquerschnitt am Sperrglied verringert, insbesondere das Sperrglied vollständig oder nahezu vollständig geschlossen wird. Auf diese Weise wird ein Rückströmen der zugeführten Druckluft stromaufwärts des Teilkanals sicher verhindert und gleichzeitig sichergestellt, dass das Druckgas vollständig in den Brennraum strömt. Dadurch ist es möglich, Gas unter hohem Druck und in großer Menge über diesen Teilkanal dem Brennraum zuzuführen, ohne Rückströmverluste zu erleiden. Gleichzeitig kann in dem jeweils anderen Teilkanal, in dem kein Sperrglied angeordnet ist oder in dem zwar ein Sperrglied angeordnet ist, dieses aber geöffnet ist, eine normale Ansaugung von Frischluft ungehindert stattfinden. Wäre beispielsweise das steuerbare Sperrglied im Ansaugtrakt stromaufwärts der Verzweigung des Ansaugkanals in die Teilkanäle angeordnet und würde dieses Sperrglied bei Drucklufteinblasung geschlossen werden um ein Rückströmen der Druckluft stromaufwärts im Ansaugkanal zu vermeiden, so wäre eine normale Ansaugung über den Ansaugkanal versperrt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen kann also zusätzlich zu der über den Ansaugkanal angesaugten Verbrennungsluft (gegebenenfalls verdichtet durch den Turbolader) Druckluft in den Brennraum zugeführt werden. Insbesondere im unteren Lastbereich, wo der Ladedruck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine noch sehr gering ist, kann die dem Brennraum zugeführte Frischluftmenge und dadurch die Drehmomenterzeugung der Brennkraftmaschine spürbar gesteigert werden. Dies wirkt sich positiv sowohl auf das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine positiv aus. Durch die erhöhte Menge an zugeführter Frischluftmenge kann in diesen Betriebsbereichen auch eine erheblich größere Menge an Abgas zurück in den Brennraum geleitet werden, was sich positiv auf den Schadstoffausstoß, insbesondere auf die NOx-Produktion auswirkt. Durch das Zuführen der Druckluft in den bereits vorhandenen Teilkanal des Ansaugsystems sind keine zusätzlichen Kanäle und Einlassventile notwendig. Dadurch kann ein merklich reduzierter Konstruktions- und Kostenaufwand der Brennkraftmaschine erreicht werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 weist diese eine Abgasrückführeinrichtung mit einer Abgasrückführleitung auf, um Abgase der Brennkraftmaschine in den Ansaugkanal zu leiten. Die Abgasrückführleitung ist dabei derart gestaltet, dass sie an einer Position stromaufwärts des steuerbaren Sperrglieds in den Ansaugkanal mündet.
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Durch die Zufuhr des Abgases stromaufwärts des steuerbaren Sperrglieds in den Ansaugkanal wird gewährleistet, dass gleichzeitig mit der Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas in den Teilkanal eine Rückführung von Abgas in den Ansaugkanal möglich ist. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass bei Zufuhr von Druckgas das Sperrglied im Wesentlichen geschlossen wird und so stromaufwärts des Sperrglieds im Ansaugkanal die Druckverhältnisse in einem Bereich bleiben, in dem Abgasrückführung in den Ansaugkanal möglich ist. Ansonsten würde ein Rückströmen des Druckgases den Druck im Ansaugkanal an der Mündung der Abgasrückführleitung derart erhöhen, dass eine Abgasrückführung nicht möglich ist. Durch diese Ausgestaltung der Brennkraftmaschine kann daher das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine trotz Zufuhr von Druckluft in den Ansaugkanal deutlich verbessert werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 handelt es sich bei dem steuerbaren Sperrglied um eine steuerbare Klappe, mit der dem im Teilkanal strömenden Gas eine bestimmte Strömungsrichtung aufgeprägt werden kann.
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Insbesondere bei Dieselmotoren und auch bei Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung kommen derartige steuerbare Klappen zum Einsatz, um der angesaugten Frischluft eine vorteilhafte Strömungsrichtung bzw. einen bestimmten Drall aufzuprägen (im englischen als „tumble” oder „swirl” bezeichnet). Dies soll die Gemischbildung und den Verbrennungsprozess positiv beeinflussen. Durch die doppelte Funktionalität der steuerbaren Klappe kann dadurch die Anzahl der zu verbauenden Bauteile und damit die Gesamtkosten der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 ist in einer Leitung zwischen dem Behälter und dem Ansaugkanal ein steuerbares Ventil vorgesehen, um den Gasstrom vom Behälter in den Ansaugkanal einzustellen.
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Durch dieses steuerbare Ventil ist es möglich, die Menge an druckbeaufschlagtem Gas, welches in den Ansaugkanal eingeleitet werden soll, bedarfsgerecht einzustellen. Somit kann flexibel auf unterschiedliche Anforderungen an unterschiedlichen Betriebspunkten reagiert werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 weist diese einen Verdichter auf, welcher druckseitig mit dem Behälter verbunden bzw. pneumatisch wirkverbunden bzw. gekoppelt ist, um diesen mit druckbeaufschlagtem Gas zu befüllen.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 kann der Verdichter einen elektrischen Antrieb aufweisen oder mit einer rotierenden Welle der Brennkraftmaschine zu dessen Antrieb gekoppelt sein.
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Auf diese Weise wird die Antriebsleistung für den Verdichter zur Erzeugung von druckbeaufschlagtem Gas zur weiteren Befüllung des Behälters sichergestellt. Bei einem elektrischen Antrieb ist die Bereitstellung der Verdichterleistung unabhängig von der Brennkraftmaschine und kann daher unabhängig von der Brennkraftmaschine bedarfsweise eingestellt werden. Bei einer Kopplung des Verdichters mit einer rotierenden Welle der Brennkraftmaschine zu dessen Antrieb kann hingegen ein zusätzlicher elektrischer Antrieb eingespart werden. Jedoch ist die Verdichterleistung abhängig von der Drehzahl der rotierenden Welle.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 ist der Verdichter in dem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine angeordnet um die dem mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten.
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Dabei kann gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 8 in einer Verbindungsleitung zwischen der Druckseite des Verdichters und dem Behälter eine Druckübersetzungseinrichtung angeordnet sein.
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Bei den Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 7 und 8 handelt es sich bei dem Verdichter vorzugsweise um einen mechanischen Kompressor oder den Verdichter eines Abgasturboladers, jeweils zur Aufladung der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise ist eine doppelte Nutzung des Verdichters möglich. Einerseits dient er der Verdichtung des Ansaugluft der Brennkraftmaschine, um so die Drehmoment- bzw. Leistungsabgabe zu erhöhen. Andererseits dient er auch der Befüllung des Behälters mit druckbeaufschlagter Luft. Zur Erhöhung des Druckniveaus im Behälter kann zwischen der Druckseite des Verdichters und dem Behälter eine Druckübersetzungseinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann im Behälter ein Druck erzeugt werden, welcher einem Vielfachen des vom Verdichter erzeugten Drucks im Ansaugkanal entspricht. Auf diese Weise kann ferner die Menge an im Behälter gespeicherter Luft erheblich erhöht werden.
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Ein Steuerverfahren gemäß dem Anspruch 9 bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 1. Demnach wird bei Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas vom Behälter in den Teilkanal das steuerbare Sperrglied derart gesteuert, dass der Strömungsquerschnitt im Teilkanal reduziert wird.
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Durch das Reduzieren des Strömungsquerschnitts im Teilkanal, insbesondere das im Wesentlichen vollständige Schließen des Teilkanals durch das steuerbare Sperrglied, wird ein Rückströmen des vom Behälter in den Teilkanal einströmenden druckbeaufschlagten Gases stromaufwärts des Ansaugkanals sicher vermieden. Derartige unerwünschte Rückströmverluste von druckbeaufschlagtem Gas können dadurch erheblich reduziert, wenn nicht komplett vermieden werden. Das in den Teilkanal eingeleitete druckbeaufschlagte Gas wird demnach nahezu vollständig dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 10 ist der Gasstrom vom Behälter in den Ansaugkanal mittels eines steuerbaren Ventils einstellbar. Gemäß dem Verfahren wird in zumindest einer der folgenden Situationen Gas vom Behälter in den Teilkanal eingeleitet:
- – Bei einem Anfahrvorgang des Kraftfahrzeugs, und/oder
- – beim Rückführen von Abgas der Brennkraftmaschine in den Ansaugkanal, und/oder
- – falls ein Ladedruck der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Behälter zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas;
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2 ein zweites Ausführungsbespiel einer Brennkraftmaschine, wobei der Behälter mittels des Verdichters im Ansaugkanal und einer zwischengeschalteten Druckübersetzungseinrichtung befüllt wird.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) schematisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2. Jedoch ist die Erfindung nicht auf aufgeladene Brennkraftmaschinen begrenzt, sondern kann ebenso auf Saugmotoren ohne Aufladung angewandt werden. Ferner ist die Erfindung weder speziell auf Ottomotoren, noch auf Dieselmotoren begrenzt sondern ist unabhängig vom tatsächlichen Verbrennungskonzept.
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Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Brennräume 3 auf, in denen die Verbrennung eines zündfähigen Brenngemisches zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments stattfindet. Die Zufuhr des zur Verbrennung notwendigen Brenngases erfolgt über einen Ansaugkanal 4, welcher einen einflutigen Abschnitt und einen mehrflutigen Abschnitt aufweist. Im einflutigen Abschnitt befinden sich in Strömungsrichtung (mit Pfeilen dargestellt) der angesaugten Frischluft ein Luftfilter 5, der Verdichter 6 des Abgasturboladers 2, ein Ladeluftkühler 7 und eine Drosselklappe 8. Optional, beispielsweise im Fall eines Ottomotors, ist stromaufwärts der Drosselklappe 8 ein Luftmengensensor 9 (gestrichelt dargestellt) angeordnet. Der Ladeluftkühler kann auch stromabwärts der Drosselklappe 8 angeordnet sein. Stromabwärts der Drosselklappe 8 verzweigt sich der Ansaugkanal 4 in mehrere (mindestens zwei) Teilkanäle 10, 11. In einem der Teilkanäle 10, 11 ist ein steuerbares Sperrglied 12 angeordnet, mit welchem sich der Strömungsquerschnitt beziehungsweise der Öffnungsquerschnitt des jeweiligen Teilkanals 11 variieren lässt. Insbesondere lässt sich mit dem steuerbaren Sperrglied der jeweilige Teilkanal 11 vollständig verschließen oder für die Durchströmung freigeben. Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem Sperrglied 12 um eine steuerbare Klappe, mit der sich der jeweilige Teilkanal 11 vollständig verschließen und öffnen lässt. Vorteilhafterweise kann die Klappe derart ausgestaltet sein, dass sie der Gasströmung in dem jeweiligen Teilkanal 11 in Abhängigkeit von ihrem Anstellwinkel eine bestimmte Strömungsrichtung beziehungsweise Turbulenz oder einen bestimmten Drall aufprägt, was sich vorteilhaft für die Gemischbildung und den Verbrennungsprozess in den Brennräumen 3 auswirken kann.
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Jeder Teilkanal 10, 11 ist für sich wiederum mit den Brennräumen 3 verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 spaltet sich der Ansaugkanal 4 zunächst in die zwei Teilkanäle 10, 11 auf, wobei nur in einem der Teilkanäle 11 das steuerbare Sperrglied 12 angeordnet ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich der Ansaugkanal 4 in mehr als zwei Teilkanäle verzweigt und auch in mehreren Teilkanälen jeweils ein steuerbares Sperrglied angeordnet ist. Jeder Teilkanal ist mit den Brennräumen 3 verbunden.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner einen Behälter 13 zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas auf. Dieser wird im Folgenden kurz als Druckspeicher 13 bezeichnet. An dem Druckspeicher 13 kann ein Drucksensor 14 zur Erfassung des in dem Druckspeicher 13 herrschenden Drucks angeordnet sein. Zur Befüllung des Druckspeichers 13 mit Druckluft ist ein Verdichter 15 vorgesehen, welcher entweder einen eigenen Antrieb 16 (vorzugsweise einen Elektromotor) aufweist oder welcher mit einer rotierenden Welle 17 (vorzugsweise der Kurbelwelle) der Brennkraftmaschine 1 gekoppelt ist (vorzugsweise mittels eines Riemenantriebs). Der Druckspeicher 13 und der Ansaugkanal 4 sind über eine Verbindungsleitung 18 und ein in der Verbindungsleitung 18 angeordnetes, steuerbares Ventil 19 verbunden. Die Verbindungsleitung 18 mündet dabei in dem Teilkanal 11, in dem das steuerbare Sperrglied 12 angeordnet ist, an einer Position stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds 12. Mittels des steuerbaren Ventils 19 ist die vom Druckspeicher 13 in den Teilkanal 11 zuzuführende Menge an druckbeaufschlagter Luft exakt steuerbar.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner einen Abgaskanal 20 auf, welcher mit jedem der Brennräume 3 verbunden ist, um die darin entstehenden Verbrennungsgase abzuführen. In Strömungsrichtung der Verbrennungsgase (durch Pfeile dargestellt) sind in dem Abgaskanal 20 eine Turbine 21 des Abgasturboladers 2, eine Lambdasonde 22 zur Erfassung des Sauerstoffanteils im Abgas und ein Abgasreinigungskatalysator 23 angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 23 können im Falle eines Ottomotors noch eine weitere Lambdasonde (nicht dargestellt) und im Falle eines Dieselmotors ein Dieselpartikelfilter (nicht dargestellt) angeordnet sein.
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Die Brennkraftmaschine 1 verfügt ferner über eine Abgasrückführeinrichtung 24, mittels der die Verbrennungsgase der Brennkraftmaschine 1 vom Abgaskanal 20 in den Ansaugkanal 4 der Brennkraftmaschine 1 zurückgeführt werden können. Dazu weist die Abgasrückführeinrichtung 24 eine Abgasrückführleitung 25 auf, welche den Abgaskanal 20 mit dem Ansaugkanal 4 verbindet, wobei die Abgasrückführleitung 25 an einer Position stromaufwärts des steuerbaren Sperrglieds 12 in den Ansaugkanal 4 bzw. den Teilkanal 10 mündet. Die Abgasrückführeinrichtung 24 weist ein Abgasrückführventil 26 auf, welches in der Abgasrückführleitung 25 angeordnet ist, und mittels dem die Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt werden kann. Ferner kann ein Abgaskühler 27 in der Abgasrückführleitung 25 vorgesehen sein, um die heißen Abgase vor der Zufuhr in den Ansaugkanal 4 zu kühlen. Mittels eines Bypasskanals 28 und eines darin angeordneten Bypassventils 29 kann der Abgaskühler 27 bei Bedarf umgangen werden.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine elektronische Steuervorrichtung 30 auf, welche mit allen steuerbaren Elementen der Brennkraftmaschine 1 zu deren Steuerung elektrisch verbunden ist. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind diese elektrischen Verbindungsleitungen nur für die Elemente der Brennkraftmaschine 1 dargestellt, welche zur Erläuterung der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 30 mit dem steuerbaren Ventil 19 in der Verbindungsleitung zwischen dem Druckspeicher 13 und dem Ansaugkanal 4, dem Drucksensor 14 am Druckspeicher 13, dem Antrieb 16 für den Verdichter 15, der Drosselklappe 8, dem Sperrglied 12, dem Abgasrückführventil 26, der Lambdasonde 22 und gegebenenfalls mit dem Luftmengensensor 9 elektrisch verbunden. Die Steuervorrichtung 30 ist darüber hinaus mit weiteren, zum Teil nicht dargestellten steuerbaren Stellgliedern und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 elektrisch verbunden, um das von der Brennkraftmaschine 1 produzierte Drehmoment und die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und wichtige Betriebsparameter und Umgebungsparameter (Temperatur und Druck) zu erfassen. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind jedoch nicht alle steuerbaren Stellglieder und Sensoren in 1 dargestellt.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 für ein Fahrzeug dargestellt. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine unterschiedet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere in der Art der Versorgung des Druckspeichers mit druckbeaufschlagtem Gas. Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine gemäß 1. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ansonsten ist die Ausgestaltung der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 sowohl konstruktiv als auch funktional identisch mit der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine.
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Während bei den in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 zur Versorgung des Druckspeichers 13 mit druckbeaufschlagtem Gas ein eigener Verdichter 15 mit Antrieb 16 vorgesehen ist, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 nach 2 der Verdichter 6 des Abgasturboladers 2 zu diesem Zweck verwendet. Dazu weist die Brennkraftmaschine 1 eine Versorgungsleitung 31 auf, welche den Ansaugkanal 4 an einer Position stromabwärts (also druckseitig) des Verdichters 6 mit dem Druckspeicher 13 verbindet. In der Versorgungsleitung 31 ist eine Druckübersetzungseinrichtung 32 vorgesehen, mittels eine Druckverstärkung in Richtung des Druckspeichers 13 erfolgen kann.
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Die Druckübersetzungseinrichtung 32 kann als Freikolbenmaschine ausgebildet sein. Sie weist einen niederdruckseitigen Abschnitt mit einem Niederdruckarbeitsraum 33 und einem Niederdruckkolben 34 auf, welcher in dem Niederdruckarbeitsraum 33 verschieblich gelagert ist. Der Niederdruckarbeitsraum 33 kann über eine erste Entlüftungsleitung 35 und ein darin angeordnetes Ventil 36, welches mit der Steuereinrichtung 30 verbunden ist, mit der Umgebung wahlweise verbunden oder von dieser getrennt werden.
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Die Druckübersetzungseinrichtung 32 weist ferner einen hochdruckseitigen Abschnitt mit einem Hochdruckarbeitsraum 37 und einem darin verschiebbar gelagerten Hochdruckkolben 38 auf. Der Hochdruckkolben 38 und der Niederdruckkolben 34 sind über eine gemeinsame Koppelstange 39 fest verbunden. Der Hochdruckkolben 38 bzw. der Hochdruckarbeitsraum 37 weisen eine geringere Querschnittfläche auf als der Niederdruckkolben 34 bzw. der Niederdruckarbeitsraum 33. Der im Niederdruckarbeitsraum 33 herrschende Gasdruck wird gemäß dem Flächenverhältnis des Hochdruckkolbens 35 und des Niederdruckkolbens in einen entsprechend höheren Gasdruck im Hochdruckarbeitsraum 34 übersetzt. Der Hochdruckarbeitsraum 37 ist über eine zweite Entlüftungsleitung 44 und eine darin angeordnetes Rückschlagventil 40 mit der Umgebung verbunden. Ferner ist der Hochdruckarbeitsraum 37 über die Verbindungsleitung 31 und ein darin angeordnetes Rückschlagventil 42 mit dem Druckspeicher 13 verbunden.
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In der Versorgungsleitung 31 ist zwischen der Druckübersetzungseinrichtung 32 und dem Anschluss am Ansaugkanal 4 ein steuerbares Ventil 43 vorgesehen, über welches der Niederdruckarbeitsraum 33 der Druckübersetzungseinrichtung 32 mit dem Ansaugkanal 4 druckseitig des Verdichters 6 verbunden werden kann. Das Ventil 43 ist mit der Steuereinrichtung 30 verbunden.
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Der Verdichter 6 des Turboladers 2 ist somit über die Verbindungsleitung 31 und die darin angeordnete Druckübersetzungseinrichtung 32 mit dem Behälter pneumatisch wirkverbunden.
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Zum Befüllen des Behälters wird das Ventil 43 geöffnet und das Ventil 36 geschlossen. Die vom Verdichter 6 verdichtete Ansaugluft strömt nun teilweise über die Versorgungsleitung 31 in den Niederdruckarbeitsraum 33. Der Niederdruckkolben 34 und der Hochdruckkolben 38 bewegen sich aufgrund der starren Kopplung durch die Kolbenstange 39 gemeinsam in Richtung des Hochdruckarbeitsraums 37 und verdichten die Luft im Hochdruckarbeitsraum 37 bis Kräftegleichgewicht herrscht. Durch das Wirkprinzip der Druckübersetzungseinrichtung 32 ergibt sich ein Druck im Hochdruckarbeitsraum 37, welcher um ein Vielfaches höher ist als im Niederdruckarbeitsraum 33. Die so verdichtete Luft strömt dann über das Rückschlagventil 42 und die Versorgungsleitung 31 in den Druckspeicher 13.
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Nach erfolgter Befüllung wird das Ventil 43 geschlossen und das Ventil 36 geöffnet. Der Hochdruckkolben 38 und der Niederdruckkolben 34 bewegen sich wieder in die Ausgangslage zurück. Sofern die Rückstellung des Hochdruckkolbens 38 nicht selbsttätig erfolgt, kann diese durch die Kraft einer Rückstellfeder (nicht dargestellt) sichergestellt werden. Der Niederdruckarbeitsraum 33 wird dabei entlüftet. Über das Rückschlagventil 40 strömt Umgebungsluft in den Hochdruckraum 37.
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Der Vorgang kann bei Bedarf mehrfach wiederholt werden. Die Einleitung des Befüllungsvorgangs erfolgt durch die Steuereinrichtung 30 in Abhängigkeit vom Druck im Druckspeicher 13.
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Auf diese Weise kann der Druckspeicher 13 auf sehr kostengünstige und effiziente Weise mit druckbeaufschlagtem Gas befüllt werden. Ein eigens dafür vorgesehener Verdichter mit entsprechendem Antrieb ist nicht notwendig. Je nach Ausgestaltung der Druckübersetzungseinrichtung 32 können verschiedene Drücke im Druckspeicher 13 eingestellt werden.
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Im Folgenden wird ein Steuerungsverfahren für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 beschrieben.
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Insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen aber auch bei Brennkraftmaschinen mit geringem Hubraum ist beim Anfahren und auch beim Beschleunigen von einem Betriebspunkt im unteren Drehzahlbeziehungsweise Lastbereich häufig ein verzögertes Ansprechverhalten beziehungsweise ein geringes Antriebsmoment spürbar. Die Ursache liegt bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, insbesondere turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen, in einem verzögerten Aufbau des Ladedrucks und bei hubraumschwachen Motoren in der geringen Menge an angesaugter Frischluft. Dies wird häufig vom Fahrzeugführer als unkomfortables und lethargisches Motorverhalten negativ aufgefasst. Hinzu kommt, dass aufgrund der geringen, den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmenge in diesen Betriebspunkten und Betriebssituationen sich Nachteile hinsichtlich des Abgasverhaltens ergeben. Insbesondere ist die Menge an rückgeführtem Abgas in diesem Betriebspunkten beziehungsweise Betriebssituationen äußerst begrenzt, was sich negativ auf die Schadstoffemissionen (insbesondere die NOx-Emissionen) auswirkt.
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Zur Vermeidung fahrdynamischer und emissionsbezogener Nachteile in den oben genannten, kritischen Betriebsbereichen wird insbesondere bei einem Anfahrvorgang des Kraftfahrzeugs und/oder zum Zwecke der Erhöhung von rückgeführtem Abgas in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine und/oder falls ein Ladedruck der Brennkraftmaschine (Druck im Ansaugkanal nach dem Verdichter) unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, druckbeaufschlagtes Gas vom Druckspeicher in den Teilkanal stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds zugeführt. Dazu kann das in der Druckleitung vorgesehene steuerbare Ventil 19 durch die Steuereinrichtung 30 der Brennkraftmaschine 1 entsprechend angesteuert werden. Während bei einem Dieselmotor sich die Menge an zugeführtem druckbeaufschlagtem Gas weniger auf die Verbrennung in den Brennräumen auswirkt, so reagieren Ottomotoren äußerst sensibel auf eine Veränderung der zugeführten Frischluft. Bei einem Ottomotor kann daher das Ventil 19 derart ausgebildet sein, dass eine vorher definierte Menge an Frischluft aus dem Druckspeicher 13 dem Ansaugkanal 4 präzise zugeführt werden kann. Die Steuerung des Ventils 19 kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert für die zuzuführende Menge an druckbeaufschlagter Luft, dem gemessenen Druck im Druckspeicher 13 und einer vorgegebenen, in der Steuereinrichtung 30 gespeicherten Kennlinie, welche den Durchfluss an Gas über das Ventil 19 in Abhängigkeit vom Druck im Druckspeicher 13 und dem Öffnungsgrad des Ventils 19 darstellt, erfolgen. Ferner ist es möglich das Ventil geregelt zu betreiben, indem die Steuervorrichtung 30 über die Lambdasonde 22 eine Rückkopplung bekommt, wie viel zusätzliche Frischluft vom Druckspeicher 13 den Brennräumen zugeführt worden ist. Auf diese Weise ist auch eine Adaption der Vorsteuerung des Ventils möglich.
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Gemäß dem Verfahren wird bei Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas aus dem Druckspeicher 13 in den Ansaugkanal 4 das steuerbare Sperrglied 12 im Teilkanal 11 derart angesteuert, dass sich der Strömungsquerschnitt im jeweiligen Teilkanal 11 reduziert, insbesondere dass der Teilkanal 11 durch das Sperrglied 12 versperrt wird. Durch das Reduzieren bzw. Versperren des Strömungsquerschnitts im Teilkanal 11 am Sperrglied 12 wird erreicht, dass die zugeführte druckbeaufschlagte Luft nicht im Ansaugkanal 4 stromaufwärts zurückströmt sondern im Wesentlichen vollständig in die Brennräume 3 der Brennkraftmaschine gelangt. Des Weiteren kann die mittels des Verdichters 6 im Ansaugkanal 4 verdichtete Luft über den jeweils anderen Teilkanal 10, welcher kein steuerbares Sperrglied 12 aufweist, weiter ungehindert in die Brennräume 3 strömen, da keine Gegenströmung von druckbeaufschlagter Luft aus dem Druckspeicher 13 dies behindert. Ferner wird dadurch auch der Ladedruckaufbau am Verdichter 6 im Ansaugkanal 4 durch rückströmende Druckluft nicht gestört.
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Durch das Schließen des Sperrglieds 12 bei Zufuhr von Druckluft aus dem Druckspeicher 13 wird ferner verhindert, dass sich die Druckverhältnisse am Einmündungspunkt der Abgasrückführleitung 25 in den Ansaugkanal 4 derart verändern, dass eine Abgasrückführung nicht mehr möglich ist. Mit anderen Worten ermöglicht das Schließen des steuerbaren Sperrglieds 12 bei Zufuhr von Druckluft, dass auch weiterhin eine hohe Menge an Abgas in den Ansaugkanal 4 der Brennkraftmaschine 3 eingeleitet werden kann. Durch die zusätzliche Zufuhr von Frischluft aus dem Druckspeicher 13 ist es ferner möglich, auch in den oben genannten Betriebspunkten eine große Menge an Abgas in den Ansaugkanal 4 rückzuführen ohne die Verbrennung in den Brennräumen 3 nachteilig zu beeinflussen. Dadurch kann trotz der Erzeugung eines hohen Drehmoments in den oben genannten, kritischen Betriebspunkten der Schadstoffausstoß reduziert werden.
