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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen, die auch als Verbrennungskraftmaschinen bezeichnet werden, sind Wärmekraftmaschinen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie wandeln. Als Brennräume dienen Zylinder, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. In Kraftfahrzeugen eingesetzte Brennkraftmaschinen werden auch als Verbrennungsmotoren bezeichnet.
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Zum Einlassen des zu zündenden Kraftstoff-Gas-Gemisches in die Zylinder werden Ventile verwendet. So werden bei Dieselmotoren Einlassventile eingesetzt, um reine Luft einzulassen. Der Kraftstoff wird durch Einspritzdüsen eingespritzt. Bei Gasmotoren wird ein zuvor verdichtetes Luft-Gas-Gemisch über Einlassventile in die Zylinder eingebracht. Zur Steuerung der Ventile ist ein Mechanismus vorgesehen, der als Ventilsteuerung oder Ventiltrieb bezeichnet wird. Durch Öffnen und Schließen der Ventile wird der Ladungswechsel des Verbrennungsmotors gesteuert. Dabei werden Ventile von einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle angetrieben wird, über einen Stößel geöffnet. Als Ladungswechsel wird dabei das Austauschen des im Zylinder enthaltenen Gemisches bezeichnet.
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Die Nockenwelle ist ein Maschinenelement, bei dem auf einem Stab, der die Welle darstellt, mindestens ein Nocken angebracht ist. Der Stab bzw. die Welle dreht sich um die eigene Achse. Diese Drehbewegung wird durch den mindestens einen Nocken in eine Längsbewegung umgesetzt. Diese Längsbewegung der Nocken der Nockenwelle wird dazu verwendet, um Ein- und Auslassventile der Zylinder zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise werden die Ventile durch die Nockenwelle angetrieben, die wiederum mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die Drehung der Kurbelwelle bewirkt eine Drehung der Nockenwelle. Die Form der Nocken der Nockenwelle beeinflusst die Zeitsteuerung und die Dauer der Ventilbetätigung.
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Als Nockenwellenverstellung wird ein Verfahren bezeichnet, bei dem eine Veränderung der Steuerzeiten der Ventilsteuerung im Betrieb vorgenommen wird. Dies wird auch als variable Nockenwellensteuerung oder variable Ventilsteuerung bezeichnet.
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Durch Anpassung der Ventilöffnungszeiten kann eine Effizienzsteigerung des Motors erreicht werden. Dies kann sich als Leistungs- und Drehmomentgewinn oder auch als Kraftstoffeinsparung bemerkbar machen. So kann bei Einlassventilen der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt variiert werden.
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Zu beachten ist, dass bei Teillast der Motor selten in seinem optimalen wirkungsgradgünstigsten Lastpunkt betrieben wird. Das hängt damit zusammen, dass der Motor meistens nur für einen kleinen Lastbereich verbrauchsoptimal betrieben werden kann. Gründe dafür sind z. B. eine geringere Füllung, veränderte Wärmeverluste usw.
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Eine weitere Herausforderung beim Motorbetrieb ist die Einhaltung der Emissionen. Durch die Verschärfung der Emissionsgrenzen muss vielfach auf innermotorische Maßnahmen, wie bspw. eine Abgasrückführung, zurückgegriffen werden. Bei der Abgasrückführung treten Druckverluste durch die zusätzlichen Rohrleitungen und Klappen auf.
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Bislang sind Verfahren bekannt, die eine Lastpunkverschiebung und eine Zylinderbankdeaktivierung vorsehen.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei dem mindestens einen Zylinder mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet sind, die über eine Ventilsteuerung jeweils zu schließen und zu öffnen sind, wobei die Betätigung sowohl wenigstens eines des mindestens einen Einlassventils als auch wenigstens eines des mindestens einen Auslassventils über eine Regelung erfolgt.
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Grundsätzlich ist das Verfahren bei Brennkraftmaschinen mit mehr als einem Zylinder anwendbar. Dabei kann das Verfahren bei mindestens einem der Zylinder, bei einigen der Zylinder oder auch bei allen Zylindern angewendet werden. Das Verfahren kann auch bei Zylindern angewendet werden, die mehr als ein Einlassventil und Auslassventil aufweisen. Dann kann es jeweils bei einem Einlassventil und Auslassventil, bei einigen ausgewählten oder bei allen Einlassventilen und Auslassventilen des Zylinders angewendet werden. Nachfolgend wird das Verfahren bezogen auf einen, d. h. irgendeinen der möglicherweise mehreren Zylinder der Brennkraftmaschine, der ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, beschrieben.
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Durch die Regelung beider Ventile kann die Abgasrückführmenge für jeden Zylinder gesondert vorgegeben werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Zylinder durch gleichzeitiges Schließen des Einlassventil und des Auslassventils deaktiviert wird. Auf diese Weise kann eine Zylinderabschaltung vorgenommen werden. Dies führt zu einer Lastpunktverschiebung bei den weiteren, nicht deaktivierten Zylindern. Es kann auch die Anzahl der Zylinder, die deaktiviert werden, gewählt werden.
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Außerdem kann eine Abgasrückführung durch Anpassen der Auslassventilsteuerzeiten gesteuert werden.
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Das Verfahren kann in Verbindung mit einer internen und/oder externen Abgasrückführung verwendet werden. Mit der internen Abgasrückführung ist es möglich, die im Zylinder verbleibende Restgasmasse zu beeinflussen. Die externe Abgasrückführung mindert die Abgasemissionen.
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Die beschriebene Anordnung dient zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei dem mindestens einen Zylinder mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet sind. Die Anordnung ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art geeignet. Hierzu ist eine Ventilsteuerung zum Ansteuern sowohl des mindestens einen Einlassventils als auch des mindestens einen Auslassventils vorgesehen, wobei die Ventilsteuerung mit einer Regelung zum Betätigen des mindestens einen Einlassventils und des mindestens einen Auslassventils zusammenwirkt.
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Die Anordnung kann dazu eingerichtet sein, wenigstens eines des mindestens einen Einlassventils und wenigstens eines des mindestens einen Auslassventils gleichzeitig zu schließen. Weiterhin kann die Anordnung dazu eingerichtet sein, mit einer internen und/oder externen Abgasrückführung zusammenzuwirken.
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Zu beachten ist, dass das Verfahren insbesondere für große Brennkraftmaschinen bzw. Motoren, insbesondere für Gasmotoren, geeignet ist. Darunter sind Motoren mit einer Leistung von mehr als 560 kW zu verstehen. Weiterhin kann das Verfahren in Verbindung mit einer internen und einer externen Abgasrückführung verwendet werden.
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Grundsätzlich ist das Verfahren bei anderen Brennverfahren, wie bspw. einer homogenen Kompressionszündung (HCCI: Homogenous Charge Compression Ignition), anwendbar.
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Gemäß dem vorgestellten Verfahren kann somit eine Deaktivierung eines einzelnen Zylinders durch Schließen der Einlassventile und Auslassventile erreicht werden. Es erfolgt dabei in Ausgestaltung eine Steuerung der Abgasrückführung durch das Anpassen der Auslassventilsteuerzeiten.
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Es zeigt sich, dass durch die Regelung sowohl der Einlassventile als auch der Auslassventile ein Zylinder vollständig deaktiviert werden kann. Auf diese Weise kann eine Lastpunktverschiebung bei den anderen Zylindern erreicht werden, was für eine Wirkungsgradsteigerung eingesetzt werden kann. Außerdem kann durch die Regelung beider Ventile die Abgasrückführmenge zylinderindividuell eingestellt werden, wodurch die Emissionen zylinderindividuell geregelt werden können. Zusätzlich entfallen die langen Rohrleitungen und Klappen die in einem konventionellen Motor für die Abgasrückführung eingesetzt werden.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, erhebliche Vorteile. So kann eine Wirkungsgradsteigerung im Teillastbereich durch die Zylinderabschaltung erreicht werden. Zudem wird eine Wirkungsgradsteigerung durch Vermeidung langer Rohrleitung und Klappen für die Abgasrückführung erzielt. Eine schnelle dynamische Bereitstellung der gewünschten zylinderselektiven AGR-Rate (AGR: Abgasrückführung) ist zu erreichen. Emissionen werden durch die zylinderindividuelle Einstellung der Verbrennung durch die zylinderindividuelle Abgasrückführung reduziert.
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Im Zusammenhang mit dem Verfahren werden die Begriffe oberer Totpunkt und unterer Totpunkt verwendet, die nachstehend erläutert werden:
Unter einem Totpunkt ist zu verstehen, dass bei einem Hebelmechanismus die verbindenden Gelenke und die einwirkenden Kraftvektoren auf einer Linie liegen. Bei einem Verbrennungsmotor werden als Totpunkte die Stellungen der Kurbelwelle bezeichnet, bei denen der Kolben keine Bewegung mehr in axialer Richtung ausführt. Dabei wird die Lage der Totpunkte durch die Geometrie von Kurbelwelle, Pleuel und Kolben eindeutig bestimmt. Es wird dabei zwischen dem oberen Totpunkt (OT), bei dem die Kolbenoberseite sich nahe am Zylinderkopf befindet, und dem unteren Totpunkt (UT), bei dem die Kolbenoberseite entfernt vom Zylinderkopf ist, unterschieden. Bei Viertaktmotoren unterscheidet man zusätzlich zwischen dem Ladungswechsel-OT und dem Zünd-OT. Der obere Totpunkt dient als Referenz für die Kurbelwellenlage. Eine Kurbelwellenlage von 0 Grad entspricht in der Regel der Stellung Zünd-OT. Der obere Totpunkt bezeichnet somit den höchsten Punkt, den der Kolben während seiner Auf- und Abbewegung im Zylinder einnimmt. Bei einem Verbrennungsmotor ist der obere Totpunkt beim Einstellen der Zündung bzw. der Explosion von Bedeutung. Der obere Totpunkt ist die Phase vor dem Umkehrpunkt.
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Unter einer interne Abgasrückführung ist zu verstehen, dass das Auslassventil geschlossen bleibt, während der Ansaugtrakt zeitweise geöffnet ist. Dadurch wird Abgas direkt in den Zylinder zurückgesaugt. Die interne Abgasrückführung ist durch eine größere Ventilüberschneidung möglich. Bei einer externen Abgasrückführung wird Abgas aus dem Abgastrakt entnommen und über eine Leitung dem Ansaugtrakt zugeführt. Somit verbindet die externe Abgasrückführung den Abgas- und Ansaugtrakt über eine Leitung. Dies kann entweder noch im Zylinderkopf auf kurzem Wege oder außen als Verbindung von Abgas- und Ansaugrohr vorgenommen werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einem Graphen eine Betätigung eines Einlassventils und eines Auslassventils.
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2 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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3 zeigt eine Regelung einer Verbrennung einer Brennkraftmaschine.
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4 zeigt eine weitere Regelung einer Verbrennung einer Brennkraftmaschine.
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In 1 ist in einem Graphen, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, die Betätigung eines Einlassventils und eines Auslassventils veranschaulicht. Dabei ist an einer Abszisse 12 der Kurbelwellenwinkel [°] und an einer Ordinate 14 der Ventilhub aufgezeichnet. Weiterhin sind an der Abszisse 12 ein erster unterer Totpunkt 20, ein erster oberer Totpunkt 22, ein zweiter unterer Totpunkt 24 und ein zweiter oberer Totpunkt 26 markiert.
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Eine erste Kurve 30 zeigt den Ventilweg des Auslassventils, eine zweite Kurve 32 zeigt den Ventilweg des Einlassventils. Die Darstellung verdeutlicht, dass durch Regelung der Ventilsteuerzeiten, d. h. der Vorgabe der Zeitpunkte des Schließens und Öffnens sowohl des Einlassventils als auch des Auslassventils, auf den Betrieb der Brennkraftmaschine eingewirkt werden kann. So kann bspw. der zeitliche Bereich, in dem beide Ventile gleichzeitig geschlossen oder geöffnet sind, variiert werden.
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2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Brennkraftmaschine 170 mit einem Zylinder 172, der ein Einlassventil 174 und ein Auslassventil 176 aufweist. Zudem ist in dem Zylinder 172 ein Kolben 178 geführt. Zum Betätigen des Einlassventils 174 und des Auslassventils 176 ist eine Anordnung 179 vorgesehen, die eine Regelung 180 und einen Ventiltrieb bzw. eine Ventilsteuerung 182 umfasst. Mit dieser Anordnung 179 werden sowohl das Einlassventil 174 als auch das Auslassventil 176 unter Berücksichtigung der Regelung 180 angesteuert.
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3 zeigt schematisch eine Regelung der Verbrennung der gesamten Brennkraftmaschine mit allen Zylindern, für die jeweils eine Einzylinderregelung vorgenommen wird. Die Darstellung zeigt einen Vollmotorregler 50. Reglereingangsgrößen 52 des Vollmotorreglers 50 sind die geforderten und die aktuellen Leistungs- und Drehzahlwerte, die sich aus einem Vergleich aus Führungsgrößen 54, nämlich Sollleistung und Solldrehzahl, mit zu regelnden Größen bzw. Regelgrößen 56, nämlich Istleistung und Istdrehzahl, ergeben. Das Regelungskonzept der Brennkraftmaschine sieht eine Möglichkeit zu einer zuschaltbaren zylinderindividuellen Regelung vor, auf die nachfolgend eingegangen wird.
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Hierzu zeigt die Darstellung eine Brennkraftmaschine 60. In dieser sind eine Reihe von Einzylindern bzw. Zylindern 62 vorgesehen, deren Leistungsvermögen u. a. von den Betriebsgrößen Ansaugdruck 64, Luftverhältnis λ 66 und Temperatur 68 vor dem jeweiligen Zylinder 62 beeinflusst wird. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Einzylinderregler 70 und eine Einheit für eine Druckverlaufsanalyse 72.
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Der Vollmotorregler 50 gibt als Größen eine Gasmischung 80, eine erste Stellgröße 82 und eine zweite Stellgröße 84 aus. Der Wert für die Gasmischung 80 wird in den Motor eingegeben. Die Stellgrößen 82 und 84, nämlich Ventilsteuerzeit für das Einlassventil und Ventilsteuerzeit für das Auslassventil, werden durch die Druckverlaufsanalyse 72 und den Einzylinderregler 70, in dem wiederum Führungsgrößen vorgegeben werden, modifiziert für jeden Zylinder bzw. Einzylinder 62 bereitgestellt. Für jeden Zylinder 62 wird dabei bei dieser Ausführung eine Größe 90, die in Zusammenhang mit dem Zylinderdruck steht, in die Druckverlaufsanalyse 72 eingegeben. In dieser werden Regelgrößen 92, 94, die in Zusammenhang mit dem Maximaldruck stehen, z. B. Wert des Maximaldrucks und ergänzend hier die Lage des Maximaldrucks, in den Einzylinderregler 70 eingegeben. Dieser ermittelt zylinderindividuelle Anteile zu Stellgrößen 96 und 98 zu den Ventilsteuerzeiten, die den Stellgrößen 82 und 84 aus dem Vollmotorregler 50 hinzugefügt werden. Daraus ergeben sich korrigierte Vorgaben 100 und 102 für die Steller einzelner Zylinder 62.
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Die zylinderindividuelle Regelung gestattet grundsätzlich die Verwendung unterschiedlicher Regelgrößen, die sich aus dem Zylinderdrucksignal ermitteln lassen: Spitzendruck, Lage des Spitzendrucks, indizierter Mitteldruck, Umsatzpunkte 10, 50, 75 bzw. 90%.
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Die wesentlichen Kriterien für die Verwendung der Kenngrößen für die Regelung sind Regelaufwand, Linearität, d. h. eindeutiges Verhalten, und Signalqualität.
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Bei dem vorgestellten Verfahren werden in Ausführung die Größen maximaler Zylinderdruck und die Lage des maximalen Zylinderdrucks alternativ oder ergänzend als Regelgrößen 92, 94 zur Regelung des einzelnen Zylinders verwendet. Dies wird für jeden Zylinder gesondert durchgeführt. Diese Einzylinderregelung kann innerhalb einer übergeordneten Vollmotorregelung erfolgen.
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4 zeigt eine modellbasierte Regelung. Bei dieser wird ein Schätzer 200 mit einem Modell 202 verwendet, um die Regelgrößen 92 und 94 zu ermitteln. Mittels einer integrierten intelligenten Brennraumdruckregelung 204, bei der ebenfalls Führungsgrößen vorgegeben werden, die vom Betriebspunkt abhängig sein können, werden dann die zylinderindividuellen Anteile 96 und 98 ermittelt.
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Das Modell 202 nutzt als Eingangsgrößen den Ansaugdruck 250, den λ-Wert 252, die Temperatur 254 im Ansaugtrakt, die Gasmischung 256, den Zündzeitpunkt 258 und den Schließwinkel 260 zur Abschätzung des Zylinderdrucks. Diese Eingangsgrößen stellen u. a. Standardmessgrößen dar.
