DE102012024927A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer externen Abgasrückführung (AGR), wobei ein Schließzeitpunkt von Einlassventilen (22) der Brennkraftmaschine verändert wird. Hierbei wird der Schließzeitpunkt der Einlassventile (22) in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben und die externe Abgasrückführung mit einem Stellglied für die externe Abgasrückführung derart geregelt, dass mindestens ein Parameter der Abgasrückführung konstant bleibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer externen Abgasrückführung (AGR), wobei ein Schließzeitpunkt von Einlassventilen der Brennkraftmaschine verändert wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die Abgasrückführung, wie beispielsweise aus der DE 2005 012 306 A1 bekannt, ist eine der wesentlichen Elemente der innermotorischen NOx Reduzierung bei einem Dieselmotor. Man unterscheidet die externe Abgasrückführung (meEGR) mit gekühlten und ungekühlten Varianten von der ”internen” oder ”inneren” AGR (miEGR). Bei Letzteren wird das Verbleiben oder Zurückführen von Restgas i. A. durch Beeinflussung der Gaswechselventilsteuerzeiten mittels eines zusätzlichen Öffnens von Ein- oder Auslass oder einer negativen Ventilüberschneidung über einen variablen Ventiltrieb realisiert. Vorteilhaft gegenüber der externen AGR sind dabei die kurzen Wege und die schnellen Reaktionszeiten sowie die direkte Dosierbarkeit. Nachteilig ist allerdings das Fehlen einer wirksamen Abkühlung des Restgases, wie bei der externen Rückführung. Aus diesem Grund wird häufig vorgeschlagen, eine (Grund-)EGR-Menge über den externen, gekühlten EGR-Kreislauf dem Motor bereitzustellen und einen geringeren Anteil innerer AGR zur Anpassung des Luftverhältnisses bei Lastsprüngen schnell zu- bzw. wegzuschalten.
  • Aus der DE 103 48 366 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Diesel-Brennkraftmaschine bekannt wobei der Einlassschließzeitpunkt derart verschoben wird, dass der Einlassschluss verzögert ist. Hierdurch soll die Abgasrückführrate vermindert werden können.
  • Aus der DE 600 31 074 T2 ist ein Steuerungsverfahren zum Variieren der Ventilzeitpunkte der Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Einlassventilschließzeitpunkt derart gesteuert wird, dass eine gewünschte Einlassluftmenge und eine gewünschte Menge einer inneren Abgasrückführung für eine Zylinderladung erzielt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ausstoß von unerwünschten Emissionen der Brennkraftmaschine zu minimieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben und die externe Abgasrückführung mit einem Stellglied für die externe Abgasrückführung derart geregelt wird, dass mindestens ein Parameter der Abgasrückführung konstant bleibt.
  • Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig eine Ruß- und NOx-Reduktion erzielt wird.
  • Eine weitere Verbesserung der Ruß- und NOx-Reduktion erzielt man dadurch, dass der mindestens eine konstant gehaltene Parameter der Abgasrückführung eine AGR-Rate und/oder eine AGR-Masse einer Zylinderfüllung ist.
  • Eine besonders genaue und effektive Einstellung der AGR-Rate bzw. der AGR-Masse erzielt man dadurch, dass das Stellglied für die externe Abgasrückführung ein AGR-Steller, insbesondere eine Abgasklappe, ein AGR-Ventil oder eine Kombiklappe ist, oder zwei Steller, insbesondere ein AGR-Ventil mit Drosselklappe in einem Ansaugtrakt oder einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, umfasst.
  • Eine weitere Verringerung von Emissionen erzielt man dadurch dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile derart in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben wird, dass eine Gesamtfüllung reduziert wird.
  • Eine besonders hohe Wirkung der Emissionsreduktion erzielt man dadurch, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile um 10° bis 100°KW, insbesondere 30° bis 35°KW, nach unterem Totpunkt im Kompressionshub verschoben wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 eine schematische Darstellung der Massenströme bei einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
  • 2 eine graphische Darstellung einer Emission von Rußpartikeln PMLPEGR in Abhängigkeit von einem Schließzeitpunkt von Einlassventilen bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für verschiedene konstant gehaltene Parameter;
  • 3 eine graphische Darstellung einer Emission von Stickoxiden NOX in Abhängigkeit von einem Schließzeitpunkt von Einlassventilen bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für verschiedene konstant gehaltene Parameter und
  • 4 eine graphische Darstellung eines spezifischen Kraftstoffverbrauchs in g/kWh beff in Abhängigkeit von einem Schließzeitpunkt von Einlassventilen bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für verschiedene konstant gehaltene Parameter.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine umfasst einen Abgasturbolader 10 mit einer Turbine 12 und einem Verdichter 14, einen Ladeluftkühler 16, ein Saugrohr 18, Arbeitszylinder 20 mit jeweils zwei Einlassventilen 22 und zwei Auslassventilen 24, wobei lediglich ein Arbeitszylinder 20 beispielhaft dargestellt ist, und einen Abgaskrümmer 26, in den das Abgas aus den Auslassventilen 24 strömt. Stromab der Turbine 12 ist für eine externe Abgasrückrührung (AGR) eine Verbindung 28 vom Abgastrakt zum Ansaugtrakt vorhanden, in dem ein AGR-Kühler 29 angeordnet ist.
  • Folgende Massenströme bzw. Massen tragen zu einer Zylinderladung mz bei: Eine Luftmasse mL 30, eine Einlassmasse mEZ 32, eine Steuermengenmasse mSteuermenge 34, eine Kraftstoffmasse mKr 36 sowie ein Masse des extern zurückgeführten Abgases mAGR 38. Die Steuermengenmasse mSteuermenge 34 wird durch den Schließzeitpunkt der Einlassventile 22 bestimmt. Schließen diese spät, so wird ein Teil der Zylinderladung im Kompressionshub wieder ausgeschoben und verringert dadurch die Zylinderladung mZ. Insgesamt ergibt sich somit: mZ = mEZ – mSteuermenge + mKr – mL + mAGR – mSteuermenge + mKr
  • Weitere Massenströme bzw. Massen ergeben sich abgasseitig. Hier gibt es eine Auslassmasse mAZ 40 und eine Abgasmasse mA 42, wobei gilt mA = mAZ – mAGR.
  • Bei einem Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine ist es vorgesehen, dass bei einem späten Schließzeitpunkt der Einlassventile 22, welcher beispielsweise auch bei einem sogenannten ”Millen-Zyklus” angewendet wird, nicht der Ladedruck erhöht wird, um die Zylinderfüllungsmasse konstant zu halten, sondern durch Regelung der externen Abgasrückführung (AGR) mittels eines AGR-Stellers einen AGR-Parameter, insbesondere eine AGR-Rate und/oder eine AGR-Masse, konstant zu halten. Die Regelung des AGR-Parameters erfolgt dabei also nicht durch die Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte von Einlassventilen 22 oder Auslassventilen 24, sondern mittels eines Stellgliedes in der AGR-Verbindung 28, welches beispielsweise in den AGR-Kühler 29 integriert ist.
  • Durch das Konstanthalten eines AGR-Parameters bei der Verstellung des Schließzeitpunktes der Einlassventile 22 wird eine Ruß- und NOX-Emission der Brennkraftmaschine reduziert, wie nachfolgend anhand eines beispielhaften Betriebspunktes der Brennkraftmaschine mittels der 2 bis 4 erläutert wird. Die Verstellung des Schließzeitpunktes der Einlassventile 22 erfolgt dabei in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub eines jeweiligen Hubkolbens in dem Arbeitszylinder 20 der Brennkraftmaschine. Hierdurch wird mit dem Beginn des Kompressionshubes ein Teil der Zylinderladung umfassend Verbrennungsluft und extern rückgeführtes Abgas wieder in den Ansaugtrakt ausgeschoben und nimmt dadurch nicht an dem nächsten Verbrennungsvorgang in diesem Arbeitszylinder 20 teil, liefert jedoch einen Beitrag zur Beladung des Arbeitszylinders 20 im nächsten Arbeitstakt mit extern rückgeführtem Abgas, welches im Ansaugtrakt bis zum nächsten Ansaughub zwischengespeichert wird, oder zur Beladung anderer Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine, die dem gleichen Saugrohr 18 zugeordnet sind.
  • Anhand der 2 bis 4 wird nachfolgend die Auswirkung auf die Emissionen der Brennkraftmaschine erläutert, wenn bei Spätverschiebung des Schließzeitpunktes der Einlassventile 22 verschiedene Parameter der Zylinderladung konstant gehalten werden.
  • In den 2 bis 4 ist jeweils auf der horizontalen Achse 50 ein Schließzeitpunkt für die Einlassventile 22 in Grad Kurbelwelle nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub [°KWnUT] aufgetragen. In 2 ist auf einer vertikalen Achse 52 eine Emission von Rußpartikeln PMLPEGR in Gramm pro Stunde [g/h] aufgetragen. In 3 ist auf einer vertikalen Achse 54 eine Emission von Stickoxiden NOX in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh] aufgetragen. In 4 ist auf einer vertikalen Achse 56 ein spezifischer Kraftstoffverbrauch beff in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh] aufgetragen.
  • In den 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein erster Graph 61 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Luftmasse, d. h. mit dem Verschieben des Schließzeitpunktes nach spät wird die AGR-Rate abgesenkt.
  • In den 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein zweiter Graph 62 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Rate, d. h. mit dem Verschieben des Schließzeitpunktes nach spät wird die AGR-Masse abgesenkt.
  • In den 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein dritter Graph 63 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Masse, d. h. mit dem Verschieben des Schließzeitpunktes nach spät wird die AGR-Rate angehoben.
  • In den 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein vierter Graph 64 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Gesamtmasse der Zylinderladung, d. h. mit dem Verschieben des Schließzeitpunktes nach spät wird der Ladedruck angehoben. Dies entspricht einem Betriebsverfahren nach dem sogenannten ”Miller-Zyklus”.
  • Die 2 bis 4 zeigen ein vorbestimmten Betriebspunkt ”2000/90” der Brennkraftmaschine, wobei ein Ladedruck pLade = 1.350 mbar, ein Kraftstoffdruck pRail = 900 bar und eine Schwerpunktlage der Verbrennung, d. h. der 50%-Umsatzpunkt Al50 = 16°KWnZOT (Grad Kurbelwelle nach oberem Totpunkt im Zündhub) beträgt.
  • Wie aus den 2 bis 4 ersichtlich ergibt sich bei konstanter Luftmasse gemäß der ersten Graphen 61 ein Nachteil bei der Stickoxid-Emission (NOX) und ein maximaler Vorteil bei der Rußpartikel-Emission (PMLPEGR). Bei konstanter AGR-Rate gemäß der zweiten Graphen 62 ergibt sich eine simultane Verbesserung Stickoxid-Emission (NOX) und der Rußpartikel-Emission (PMLPEGR). Bei konstanter AGR-Masse gemäß der dritten Graphen 63 ergibt sich eine Verschiebung der Emissionsvorteile von der Rußpartikel-Emission (PMLPEGR) in Richtung Stickoxid-Emission (NOX). Bei der Ladedruckanpassung für den Luftmassenausgleich nach dem ”Miller-Zyklus” gemäß der vierten Graphen 64 ergibt sich im Vergleich zu der Verfahrensweise bei konstanter AGR-Rate bzw. konstanter AGR-Masse eine Verschlechterung der Rußpartikel-Emission (PMLPEGR) ohne dafür einen nennenswerten Vorteil bei der Stickoxid-Emission (NOX) zu erzielen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Abgasturbolader
    12
    Turbine
    14
    Verdichter
    16
    Ladeluftkühler
    18
    Saugrohr
    20
    Arbeitszylinder
    22
    Einlassventilen
    24
    Auslassventilen
    26
    Abgaskrümmer
    28
    Verbindung
    29
    EGR-Kühler
    30
    Luftmasse mL
    32
    Einlassmasse mEZ
    34
    Steuermengenmasse mSteuermenge
    36
    Kraftstoffmasse mKr
    38
    Masse des extern zurückgeführten Abgases meAGR
    40
    Auslassmasse mAZ
    42
    Abgasmasse mA
    50
    horizontale Achse: Schließzeitpunkt für die Einlassventile 22 in Grad Kurbelwelle nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub [°KWnUT]
    52
    vertikale Achse: Emission von Rußpartikeln PMLPEGR in Gramm pro Stunde [g/h]
    54
    vertikale Achse: Emission von Stickoxiden NOX in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh]
    56
    vertikale Achse: Spezifischer Kraftstoffverbrauch beff in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh]
    61
    erster Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Luftmasse
    62
    zweiter Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Rate
    63
    dritter Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Masse
    64
    vierter Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PMLPEGR, NOX bzw. beff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Gesamtmasse der Zylinderladung
  • 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 2005012306 A1 [0002]
    • DE 10348366 A1 [0003]
    • DE 60031074 T2 [0004]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer externen Abgasrückführung (AGR), wobei ein Schließzeitpunkt von Einlassventilen (22) der Brennkraftmaschine verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile (22) in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben und die externe Abgasrückführung mit einem Stellglied für die externe Abgasrückführung derart geregelt wird, dass mindestens ein Parameter der Abgasrückführung konstant bleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine konstant gehaltene Parameter der Abgasrückführung eine AGR-Rate ist.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine konstant gehaltene Parameter der Abgasrückführung eine AGR-Masse einer Zylinderfüllung ist.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied für die externe Abgasrückführung ein AGR-Steller, insbesondere eine Abgasklappe, ein AGR-Ventil oder eine Kombiklappe, ist, oder zwei Steller, insbesondere ein AGR-Ventil mit Drosselklappe in einem Ansaugtrakt oder einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, umfasst.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile (22) derart in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben wird, dass eine Gesamtfüllung reduziert wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile (22) um 10° bis 100°KW, insbesondere 30° bis 35°KW, nach unterem Totpunkt im Kompressionshub verschoben wird.
DE102012024927.6A 2012-12-19 2012-12-19 Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Withdrawn DE102012024927A1 (de)

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