-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
-
Eine derartige Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen ist bereits der
DE 10 2010 007 023 A1 als bekannt zu entnehmen. In einem Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine wird an einem ersten Einlassventil ein bestimmter erster Ventilhub eingestellt, während ein zweites Einlassventil geschlossen bleibt, also ein Null-Hub am zweiten Einlassventil eingestellt wird. Dadurch, dass dementsprechend beim Ladungswechsel lediglich das erste Einlassventil geöffnet ist, wird eine gezielte Drallbewegung im Brennraum generiert und dadurch eine verbesserte Verwirbelung des Frischgases beziehungsweise des Frischgasgemisches herbeigeführt. Um eine besonders vorteilhafte Luftansaugung im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine zu erzeugen, liegt der Öffnungszeitpunkt des ersten Einlassventils weit vor einem oberen Ladungswechseltotpunkt und der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils vor einem unteren Ladungswechseltotpunkt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass sich der Schadstoffausstoß sowie der Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine verringern lassen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiter zu entwickeln, dass sich der Schadstoffausstoß sowie der Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine verringern lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Einlassventil beim Einleiten des Gasmassenstroms in den Brennraum in einer Gaswechselphase geschlossen bleibt und das zweite Einlassventil im Bereich des oberen Totpunkts in der Gaswechselphase geöffnet wird. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird im ersten Teil der Gaswechselphase Abgas aus dem Brennraum über jeweilige Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine ausgeschoben. Im Bereich des oberen Totpunkts beginnt der zweite Teil der Gaswechselphase, in welcher der Gasmassenstrom, welcher beispielsweise einem Luftstrom oder einem Brenngas-Luft-Massenstrom entspricht (um nur einige Möglichkeiten zu nennen), angesaugt wird. Das Ansaugen wird sowohl durch die ab dem Erreichen des oberen Totpunkts der Gaswechselphase beginnende Kolbenabwärtsbewegung, als auch beispielsweise durch einen erhöhten Druck des dem Brennraum über jeweilige Einlasskanäle zugeführten Gasmassenstroms begünstigt. Der erhöhte Druck des Gasmassenstroms kann beispielsweise durch Resonanzaufladung oder durch die Verdichtung des Gasmassenstroms durch einen geeigneten Verdichter (beispielsweise Kompressor, Abgasturbolader) erzeugt werden. Während das erste Einlassventil beim Einleiten des Gasmassenstroms in den Brennraum in der Gaswechselphase geschlossen bleibt, wird das zweite Einlassventil geöffnet, kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) der Gaswechselphase, welcher auch als Ladungswechseltotpunkt bezeichnet wird, erreicht hat, oder diesen erreicht oder bereits überschritten hat. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem ein Einlassventil zwar ebenfalls geschlossen, jedoch das andere Einlassventil bereits weit vor Erreichen des Ladungswechseltotpunkts geöffnet wird, wird durch das Öffnen des zweiten Einlassventils im Bereich des oberen Totpunkts ein anderes Ziel verfolgt. Während der Entflammungsphase von dem Brennraum zugeführtem Kraftstoff und gegen Ende der Verbrennung ist eine Turbulenz wünschenswert, um etwaige chemische Prozesse aufgrund von zu hoher Wärmeabfuhr, beispielsweise über die Brennraumwände nicht zu verlangsamen, beziehungsweise nicht abbrechen zu lassen. Diese Turbulenz wird durch das beschriebene Verfahren erzeugt, wobei beispielsweise die Entflammungsphase, als ein möglicher chemischer Prozess beeinflusst wird. Die besagte Turbulenz kann durch das Öffnen des zweiten Einlassventils kurz vor dem oberen Totpunkt oder im oberen Totpunkt oder nach dem oberen Totpunkt in der Gaswechselphase und eine damit einhergehende, durch die Kolbenabwärtsbewegung begünstigte Gasbewegung erreicht werden. Eine solche überlagerte, aus turbulenten und gerichteten Strömungsanteilen bestehende Zylinderinnenströmung behindert, bzw. verschlechtert des Weiteren die Gemischbildung nicht. Durch das Geschlossenhalten des ersten Einlassventils und das späte öffnen des zweiten Einlassventils kann sogar kurzzeitig ein Unterdruck im Brennraum erzeugt werden, durch welchen ein Abdampfen von an der Brennraumwand abgelagertem Kraftstoff begünstigt wird, und demzufolge der Schmierölverdünnung entgegengewirkt wird. Mit anderen Worten wird also im Brennraum verbliebenes Gas (beispielsweise verbliebenes Abgas) expandiert. Der Unterdruck ist dabei in Relation zum Druck des im Brennraum verbliebenen Abgases oder alternativ dazu in Relation zum Druck des Gasmassenstroms beim Einströmen in den Brennraum zu verstehen, also nicht zwangsläufig als Unterdruck gegenüber dem Luftdruckniveau. Selbstverständlich kann jedoch bei diesem Unterdruck auch ein Druckniveau unterhalb des Luftdruckniveaus (Luftdruck) der Umgebungsluft des Kraftwagens erreicht werden. Das kurzzeitige Erzeugen eines Unterdrucks durch das späte öffnen des zweiten Einlassventils erscheint zunächst kontraproduktiv, da der Gasmassenstrom beim späten öffnen unter besonders hoher Strömungsgeschwindigkeit in den Brennraum eintritt und dementsprechend hohe Strömungsverluste, insbesondere im Ventilspalt des zweiten Einlassventils erzeugt werden. Allerdings wird dies durch das Abdampfen des Kraftstoffes zumindest wieder kompensiert und zugleich die Schadstoffrohemissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen verringert. Diese unverbrannten Kohlenwasserstoffe würden nämlich ansonsten von der Brennraumwand direkt in den Abgastrakt gelangen und müssten durch entsprechende Abgasnachbehandlung reduziert werden.
-
Der Kolben ist über ein Pleuel gelenkig mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, wobei die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Der Kolben ist in dem Zylinder und translatorisch relativ zu diesem bewegbar, wobei sich der Kolben zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt hin und her bewegt. Die jeweiligen (unteren und oberen) Totpunkte stellen dabei Umkehrpunkte der Kolbenbewegung dar, wobei zudem beispielsweise zwischen dem besagten oberen Ladungswechseltotpunkt und dem dazu verschiedenen oberen Zündtotpunkt zu unterscheiden ist, welche zu jeweils unterschiedlichen Arbeitstakten der Verbrennungskraftmaschine vorliegen. Aufgrund der kinematischen Kopplung mit der Kurbelwelle werden die translatorischen Bewegungen des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt, so dass sich diese Kurbelwelle um eine Drehachse dreht. Bei einem Vier-Takt-Motor unterscheidet man die einzelnen Takte „Ansaugen”, „Verdichten”, „Verbrennen”, „Ausschieben”. Zur Gaswechselphase gehören dabei die beiden Takte „Ausschieben” und „Ansaugen”. Das anhand des Vier-Takt-Motors beschriebene Verfahren ist selbstverständlich nicht auf diesen beschränkt, sondern kann auch beispielsweise in einem entsprechend konzipierten Zwei-Takt-Motor mit steuerbaren Einlassregelorganen (beispielsweise regelbare Einlassschlitze oder Einlassventile) eingesetzt werden. Des Weiteren kann die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Gegenkolbenmaschine oder als Wankelmotor ausgebildet sein, wobei zudem verschiedene Brennverfahren (beispielsweise luftgeführtes, wandgeführtes oder strahlgeführtes Brennverfahren, mageres Brennverfahren, Mehrfacheinspritzung, um nur einige zu nennen) dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zugrunde liegen können. Dementsprechend ist das Verfahren auch keineswegs auf einen Ottomotor beschränkt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Ventilhub des zweiten Einlassventils beim Einleiten des Gasmassenstroms in den Brennraum in der Gaswechselphase auf einen kleineren Betrag eingestellt, als ein maximal möglicher Ventilhub des zweiten Einlassventils. Mit anderen Worten wird das zweite Einlassventil soweit geöffnet, dass nur ein Teil des maximalen Öffnungsquerschnitts, welcher bei maximal möglichem Ventilhub des zweiten Einlassventils erreicht wird, zum Einströmen beziehungsweise Einleiten des Gasmassenstroms in den Brennraum zur Verfügung steht. Dies führt dazu, dass der Gasmassenstrom mit besonders hoher Geschwindigkeit in den Brennraum einströmt und dadurch besonders hohe Turbulenzen, welche zu einer verbesserten Gemischbildung beitragen können, herbeigeführt werden.
-
Von Vorteil ist weiterhin, wenn der Gasmassenstrom beim Einleiten in den Brennraum in eine Drallbewegung und/oder in eine Tumblebewegung versetzt wird. Unter einer Drallbewegung ist dabei eine Ladungsbewegung (Bewegung des Gasmassenstroms) um eine parallel zum Zylinder verlaufende Vertikalachse zu verstehen, wobei diese Vertikalachse auf der Zylindermittelachse liegen kann, jedoch nicht unbedingt muss, sondern vielmehr einer zu der Zylindermittelachse zumindest im Wesentlichen parallelen Achse entsprechen kann. Mit anderen Worten kann also das Rotationszentrum der Drallbewegung auch außermittig zur Zylindermittelachse versetzt sein. Eine Tumblebewegung ist hingegen definiert als Bewegung des Gasmassenstroms um eine Horizontalachse, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Zylindermittelachse verläuft. Die Drallbewegung alleine oder alternativ dazu die Tumblebewegung alleine begünstigen die Ladungsbewegung und damit den Verbrennungsprozess bereits in besonderem Maße. Wird die Tumblebewegung zusätzlich zu der Drallbewegung erzeugt, so wird der Verbrennungsprozess noch weiter begünstigt.
-
Von Vorteil ist weiterhin, wenn zum Bewegen des ersten Einlassventils und/oder zum Bewegen des zweiten Einlassventils jeweilige Plateaunocken einer Nockenwelle herangezogen werden. Der Einsatz von Plateaunocken ermöglicht es, das erste Einlassventil und zusätzlich oder alternativ das zweite Einlassventil, je nachdem welches mittels der Plateaunocken bewegt werden soll, über einen besonders großen Kurbelwinkelbereich geöffnet zu halten. Dadurch kann sogar dann eine große Gasmasse in den Brennraum eingeleitet werden, selbst wenn das erste Einlassventil geschlossen bleibt und das zweite Einlassventil nicht ganz geöffnet ist. Mit anderen Worten kann durch das Verwenden der Plateaunocken zum Betätigen des Einlassventils, bzw. der Einlassventile das Einströmen des Gasmassenstroms bei einer besonders hohen, Turbulenzen hervorrufenden Gasgeschwindigkeit und besonders lange in Bezug auf die Kurbelwinkelstellung (°KW) der sich drehenden Kurbelwelle aufrechterhalten werden, was die Gemischbildung begünstigt.
-
Der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine kann auf besonders vorteilhafte Weise verringert werden, wenn beim Einleiten des Gasmassenstroms in den Brennraum an einer den Brennraum begrenzenden Wand abgelagerter Kraftstoff zumindest teilweise durch den Gasmassenstrom entfernt wird. Die Wand kann dabei nicht nur der Brennraumwand, sondern auch beispielsweise der Kolbenoberfläche oder dem Brennraumdach entsprechen. Das Schließen des ersten Einlassventils sowie das zumindest teilweise Öffnen des zweiten Einlassventils während des Ansaugens des Gasmassenstroms erzeugt besonders hohe Turbulenzen an der Wand. Diese hohen Turbulenzen führen zu einem Ablösen von an der Wand des Brennraums abgelagertem Kraftstoff, welcher wiederum an der Verbrennung teilnimmt. Hierdurch kann einerseits der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden und andererseits die Qualität des Schmierfilms an der Wand des Brennraums erhöht werden, da durch das Abtragen des Kraftstoffs der Motorölfilm an der Brennraumwand weniger stark durch verbleibenden, abgelagerten Kraftstoff verdünnt wird. Dies trägt somit zu verringerter Reibung bei der Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder aufgrund verringerter Schmierölverdünnung an der Zylinderwand bei. Die hohen Turbulenzen des Gasmassenstroms (als Folge der hohen Strömungsgeschwindigkeit) an der Brennraumwand reißen den abgelagerten Kraftstoff also mit anderen Worten regelrecht mit, wobei der mitgerissene Kraftstoff und der Gasmassenstrom zu einem Kraftstoff-Gasgemisch vermischt werden. Dadurch kann der zuvor abgelagerte Kraftstoff am darauffolgenden Verbrennungsprozess teilnehmen, also mitverbrannt werden. Dies überkompensiert etwaige, erhöhte Strömungsverluste, wie sie beim nur teilweisen Öffnen des zweiten Einlassventils auftreten, zumal sowohl das Geschlossenhalten des ersten Einlassventils als auch das späte öffnen des zweiten Einlassventils insbesondere im Niedriglastbetrieb oder im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Anders als im Hochlastbetrieb oder Vollastbetrieb kommt es nämlich im Teillastbetrieb weniger auf die maximal erreichbare Füllung des Brennraums mit einer möglichst großen Gasmasse des Gasmassenstroms an, was wiederum das Öffnen aller Einlassventile voraussetzen würde.
-
Von Vorteil ist weiterhin, wenn zum Antreiben der Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff unabhängig von dem Gasmassenstrom in den Brennraum eingeführt wird. Mit anderen Worten kann die Verbrennungskraftmaschine durch Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum betrieben werden, wodurch vermieden wird, dass sich Kraftstoff am Ventilsitz des geschlossenen ersten Einlassventils absetzt. Dies würde zu einer Verbrennung mit erhöhten Schadstoffanteilen im Abgas führen, sobald das erste Einlassventil wieder geöffnet wird und dabei schlagartig größere Mengen an Kraftstoff in den Brennraum fließen. Des Weiteren trägt die Verdampfungsenthalpie des direkt in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs zur Kühlung des Brennraums und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades als Folge des sinkenden spezifischen Verbrauchs bei.
-
Durch die Verwendung eines gekühlten Luftmassenstroms als der Gasmassenstrom kann ebenfalls ein besonders hoher Wirkungsgrad beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.
-
Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn dem Gasmassenstrom vor dem Einleiten in den Brennraum ein Abgasmassenstrom zugemischt wird. Durch das Einleiten eines Abgasmassenstroms können die Spitzentemperaturen beim Verbrennungsprozess gesenkt werden, da das Abgas als sogenanntes Ballastgas eingesetzt wird, und eine höhere Wärmekapazität aufweist, als der Luftmassenstrom. Hierdurch kann insbesondere die Stickoxidemission der Verbrennungskraftmaschine besonders einfach und effektiv verringert werden.
-
Zu der Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, bei welcher ein Gasmassenstrom, welcher in einen durch einen Zylinder und einen Kolben begrenzten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine über einen Einlasskanal einleitbar ist, wenigstens durch ein erstes Einlassventil und durch ein zweites Einlassventil regelbar ist. Das erste Einlassventil ist beim Einleiten des Gasmassenstroms in den Brennraum in einer Gaswechselphase geschlossen und das zweite Einlassventil ist im Bereich des oberen Totpunkts in der Gaswechselphase geöffnet. Hierdurch sind der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Teillastbetrieb, signifikant verringert.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnungen zeigen in:
-
1 schematische Darstellungen von aus dem Stand der Technik bekannten, beispielhaften Verläufen zweier Nockenhubverläufe konventionell betriebener Einlassventile eines Verbrennungsmotors;
-
2a–h jeweils schematische Darstellungen verschiedener Nockenhubverläufe entsprechend welcher ein zweites Einlassventil erfindungsgemäß betätigt werden kann;
-
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, wobei ein erstes Einlassventil beim Einleiten eines Gasmassenstroms in einen Brennraum in einer Gaswechselphase geschlossen ist und das zweite Einlassventil Im Bereich des oberen Totpunkts in der Gaswechselphase geöffnet ist.
-
1 zeigt in zwei übereinander dargestellten Diagrammen (Hub 126 auf der Ordinatenachse; Grad-Kurbelwinkel (°KW) auf der Abszissenachse) jeweilige Nockenhubverläufe 110, 120 zweier konventionell betätigter Einlassventile, welche aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind. Die dort gezeigten Nockenhubverläufe 110, 120 mit jeweils einem Nockenhub 66 verlaufen im Wesentlichen synchron zueinander, wobei mit dem Verlauf der Nockenhubverläufe 110, 120 auch eine axiale Bewegung der hier nicht dargestellten, konventionell betätigten jeweiligen Einlassventile einhergeht. Die Nockenhubverläufe 110, 120 nehmen dabei bereits vor einem oberen Totpunkt 122, welcher einem oberen Ladungswechseltotpunkt entspricht, und nach einem unteren Totpunkt 124, welcher einem unteren Ladungswechseltotpunkt entspricht, positive Werte an. Mit anderen Worten werden die konventionell betätigten Einlassventile vor dem oberen Totpunkt 122 und bis nach dem unteren Totpunkt 124 entsprechend der jeweiligen Nockenhubverläufe 110, 120 axial bewegt, wobei ein Öffnen der jeweiligen Einlassventile vor dem oberen Totpunkt 122 erfolgt und nach dem unteren Totpunkt 124 die jeweiligen konventionell betätigten Einlassventile wieder geschlossen sind.
-
2a bis 2h zeigen vorliegend beispielhaft verschiedene Diagramme in welchen jeweils ein Nockenhubwert xh (Ordinatenachse) über dem Grad-Kurbelwinkel (°KW) (Abszissenachse) dargestellt ist. Diese Diagramme zeigen lediglich auszugsweise anhand einiger Beispiele, wie ein in 2a bis 2h nicht dargestelltes, zweites Einlassventil 60 entsprechend eines jeweils gezeigten Nockenhubverlaufs 76, welcher durch eine bestimmte Kontur (Nockenkontur) eines in den 2a bis 2h ebenfalls nicht dargestellten Nockens oder Plateaunockens 94 erzeugt wird, bewegt werden kann, wobei weitere, hier nicht gezeigte Nockenhubverläufe 76 denkbar sind. Die jeweils dargestellten Nockenhubverläufe 76 des zweiten Einlassventils 60 nehmen im Bereich des oberen Totpunkts OT bzw. obereren Gaswechseltotpunkt in der Gaswechselphase einen positiven Wert an. Mit anderen Worten wird dementsprechend das zweite Einlassventil 60 erst kurz vor dem oberen Totpunkt oder i oberen Totpunkt oder nach dem oberen Totpunkt geöffnet. In den 2a bis 2h ist beispielhaft ein Öffnen des zweiten Einlassventils 60 im oberen Totpunkt (OT) dargestellt. Um eine möglichst lange Öffnungsdauer des zweiten Einlassventils 60 über dem Kurbelwinkel zu erreichen, sind die hier nicht gezeigten Nocken oder Plateaunocken 94 zumindest über Bereiche ihres Umfangs derart geformt, dass sich jeweilige Nockenhübe 66 oder Nockenhübe 66 und Plateaus 96 oder Plateaus 96 bei den jeweils dargestellten Nockenhubverläufen 76 einstellen. Dies ermöglicht ein besonders langes Einströmen eines in den 2a bis 2h ebenfalls nicht dargestellten Gasmassenstroms 80, welcher beispielsweise einem gekühlten Luftmassenstrom entspricht. Entsprechend dem Nockenhubwert xh des Nockenhubverlaufs 76 stellt sich über dem Nockenhubverlauf 76 ein bestimmter Ventilhub x des zweiten Einlassventils 60 ein, was in 3 verdeutlicht ist.
-
Der Ventilhub x kann üblicherweise Werte von 2 mm bis zu einem maximal möglichen Ventilhub VH annehmen, wobei der maximale Ventilhub VH eines Nockenhubs 66 bis zu 11 mm betragen kann. Die Öffnungsdauer der Nockenhubverläufe 76 können Werte zwischen 30 Grad-Kurbelwinkel (°KW) und 220 Grad-Kurbelwinkel (°KW) annehmen. Ein Plateau 96 kann einen Ventilhub x von 1 mm bis 5 mm annehmen und eine Öffnungsdauer zwischen 5 Grad-Kurbelwinkel (°KW) und 70 Grad-Kurbelwinkel (°KW) aufweisen.
-
Die 2a zeigt eine Nockenhubverlauf 76 eines Nockens mit einem Nockenhub 66 ohne ein Plateau 96. Die 2b und 2c zeigen jeweils einen Nockenhubverlauf 76 mit einem Nockenhub 66 mit einem Plateau 96. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b ist das Plateau 96 zu Beginn des Nockenhubverlaufs 76 vorgesehen und in 2c am Ende des Nockenhubverlaufs 76. 2d zeigt einen Nockenhubverlauf 76 mit lediglich einem Plateau 96. Die 2e und 2f zeigen jeweils einen Nockenhubverlauf 76 mit jeweils zwei unterschiedlich hohen Plateaus 96. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2e ist das niedrigere Plateau 96 zu Beginn des Nockenhubverlaufs 76 vorgesehen und in 2f am Ende des Nockenhubverlaufs 76. 2g zeigt einen Nockenhubverlauf 76 mit drei Plateaus 96, wobei die niedrigeren Plateaus 96 zu Beginn und zum Ende des Nockenhubverlaufs 76 vorgesehen sind. 2h zeigt ein Nockenhubverlauf 76 mit jeweils einem Plateau 96 zu Beginn und am Ende des Nockenhubverlaufs 76 und einem dazwischen liegenden Nockenhub 66.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine, welche im Folgenden zur Vereinfachung als Motor 10 bezeichnet wird. Der Motor 10 wird zum Antreiben eines Kraftwagens 100, welcher hier ebenfalls lediglich schematisch dargestellt ist, verwendet. Dem Motor 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel über zwei Einlasskanäle 90 der Gasmassenstrom 80 zuführbar, wobei der Motor 10 neben dem zweiten Einlassventil 60 auch ein erstes Einlassventil 40 zum Regeln des Gasmassenstroms 80 aufweist. Mit anderen Worten wird durch die beiden Einlassventile 40, 60 der Gasmassenstrom 80, welcher in einen durch einen Zylinder 20 und einen Kolben 30 begrenzten Brennraum 12 des Motors 10 über die jeweiligen Einlasskanäle 90 eingeleitet wird, geregelt.
-
Der Kolben 30 ist mittels eines Pleuels 18 mit einer Kurbelwelle 16 des Motors 10 verbunden, wobei sich die Kurbelwelle 16 entsprechend einer durch einen Pfeil verdeutlichten Drehrichtung 17 dreht. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel folgt der Kolben 30 einer ebenfalls durch einen Pfeil verdeutlichten Kolbenbewegung 32, wobei in dem Zylinder 20 ein Ladungswechsel vollzogen wird und der Gasmassenstrom 80 in den Brennraum 12 einströmt. Genauer gesagt erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel gerade der zweite Teil des Ladungswechsels, welcher aus dem „Ausschieben” von Abgas und dem „Ansaugen” des Gasmassenstroms 80 besteht. Das „Ausschieben” (erster Teil) des Abgases ist hier bereits erfolgt und dementsprechend nicht dargestellt. Mit anderen Worten ist hier lediglich der zweiten Teil der Gaswechselphase (Ladungswechsel), nämlich das Einleiten des Gasmassenstroms 80 in den Brennraum 12, also mit anderen Worten das „Ansaugen” des Gasmassenstroms 80 gezeigt. Entsprechend der Kolbenbewegung 32 des Kolbens 30 befindet sich der Kolben 30 nicht mehr am oberen Totpunkt OT der Gaswechselphase, an welchem die Kurbelwelle 16 in einer gestrichelt dargestellten OT-Stellung 24 wäre, sondern der Kolben 30 bewegt sich gemäß der Kolbenbewegung 32 auf den hier nicht weiter dargestellten unteren Ladungswechseltotpunkt (UT) zu.
-
Das erste Einlassventil 40 und das zweite Einlassventil 60 sind jeweils mittels der Plateaunocken 94 einer Nockenwelle 92 axial bewegbar, und können entsprechend der Nockenkontur der Plateaunocken 94 geöffnet und geschlossen werden. Im in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Einlassventil 40 beim Einleiten des Gasmassenstroms 80 in den Brennraum 12 in der Gaswechselphase permanent geschlossen, wohingegen das zweite Einlassventil 60 im Bereich des oberen Totpunkts OT in der Gaswechselphase und insbesondere im zweiten Teil der Gaswechselphase, also beim „Ansaugen” des Gasmassenstroms 80 geöffnet wird. Dabei ist das zweite Einlassventil 60 mittels der Nockenwelle 92 beziehungsweise des Plateaunockens 94 zwischen einer Schließstellung 62 (punktierte Darstellung des zweiten Einlassventils 60) und einer Maximalstellung 64 (gestrichelte Darstellung des zweiten Einlassventils 60) bewegbar. In der Maximalstellung 64 stellt sich demzufolge ein maximal möglicher Ventilhub VH ein, bei welchem ein durch den Einlasskanal 90 und das zweite Einlassventil 60 definierter Öffnungsquerschnitt einen Maximalwert annimmt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Ventilhub x des zweiten Einlassventils 60 beim Einleiten des Gasmassenstroms 80 in den Brennraum 12 in der Gaswechselphase auf einen kleineren Betrag eingestellt, als der maximal mögliche Ventilhub VH des zweiten Einlassventils 60. Dadurch treten besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Gasmassenstroms 80 auf, da der Öffnungsquerschnitt bei dem Ventilhub x kleiner ist als derjenige bei dem maximal möglichen Ventilhub VH. Dies begünstigt eine besonders turbulente Ladungsbewegung und somit eine optimierte Kraftstoffumsetzung (Verbrennung). Dadurch, dass das erste Einlassventil 40 geschlossen bleibt und lediglich das zweite Einlassventil 60 geöffnet ist, wird der Gasmassenstrom 80 beim Einleiten in den Brennraum 12 in eine Drallbewegung 70 um eine Vertikalachse V und zusätzlich – auch bedingt durch die Kolbenbewegung 32 – in eine Tumblebewegung 72 um eine Horizontalachse H versetzt. Durch die kombinierte Drallbewegung 70 und Tumblebewegung 72 wird an einer Wand 22 des Zylinders 20 abgelagerter Kraftstoff 14 in Form von Tröpfchen durch den Gasmassenstrom 80 von der Wand 22 gelöst und zur Gemischbildung in dem Brennraum 12 verwendet. Mit anderen Worten wird also das Abtragen des Kraftstoffs 14 von der Zylinderwand (Wand 22) unterstützt. Eine solche Zylinderinnenströmung (Drallbewegung 70 und Tumblebewegung 72 des Gasmassenstroms 80) wird in besonderem Maße durch das Schließen des ersten Einlassventils 40 und Verringerung des Ventilhubs x des zweiten Einlassventils 60 erreicht. Mit anderen Worten wird also beim Einleiten des Gasmassenstroms 80 in den Brennraum 12 an der den Brennraum 12 zusätzlich begrenzenden Wand 22 abgelagerter Kraftstoff 14 zumindest teilweise durch den Gasmassenstrom 80 entfernt. Dies erhöht einerseits die Effizienz des Motors 10, das heißt der Kraftstoffverbrauch wird verringert, da der abgelagerte Kraftstoff 14 am Verbrennungsprozess teilnehmen kann und andererseits wird einer Schmierölverdünnung von hier nicht weiter dargestelltem, jedoch einen dünnen Schmierfilm an der Wand 22 ausbildenden Motoröl durch den Kraftstoff 14 effizient entgegengewirkt. Des Weiteren kann die Emission von gesundheitsschädlichen Kohlenwasserstoffen, wie sie insbesondere im Teillastbetrieb in Folge vermehrter Ablagerung des Kraftstoffs 14 an der Wand 22 auftreten, vermieden werden. Bei dem gezeigten Motor 10 wird der Kraftstoff 14 direkt in den Brennraum 12 eingespritzt, also unabhängig von dem Gasmassenstrom 18 in den Brennraum 12 eingeführt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Motors 10 noch weiter gesteigert werden, da die Verdampfungsenthalpie des Kraftstoffs 14 zur Kühlung des Brennraums 12 und damit zur Wirkungsgradsteigerung herangezogen wird. Der Wirkungsgrad des Motors 10 kann noch weiter gesteigert werden, in dem als der Gasmassenstrom 80 ein gekühlter Luftmassenstrom verwendet wird. Um jedoch die Stickoxidemissionen insbesondere im hier vorgestellten Teillastbetrieb des Motors 10 signifikant zu verringern, ist es empfehlenswert, dem Gasmassenstrom 80 beispielsweise vor dem Einleiten in den Brennraum 12 einen Abgasmassenstrom 82 zuzumischen. Der Abgasmassenstrom 82 wird dem Gasmassenstrom 80 dabei über eine AGR-Leitung 84 (Abgasrückführleitung) zugeführt, wobei der Abgasmassenstrom 82 durch ein AGR-Regelorgan 86, welches beispielsweise als AGR-Ventil ausgebildet ist, dosierbar ist.
-
Dadurch dass das erste Einlassventil 40 beim Einleiten des Gasmassenstroms 80 in den Brennraum 12 in der Gaswechselphase geschlossen ist und das zweite Einlassventil 60 im Bereich des oberen Totpunkts OT in der Gaswechselphase geöffnet ist, wird eine Möglichkeit geschaffen, das Laufverhalten des hier als Ottomotor ausgebildeten Motors 10 im stöchiometrischen Betrieb wie auch im Magerbetrieb zu verbessern. Hiermit kann die HC-Emission (Kohlenwasserstoffemission) insbesondere bei geringen Lasten, also in Niedriglast – oder Teillastbetrieb – abgesenkt werden. Dadurch können aktuelle und zukünftige Abgastests leichter bestanden und geringere Kraftstoffverbräuche eingestellt werden.
-
Insgesamt wird mit der Erfindung eine Stabilisierung der Verbrennung bei einem Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung im Magerbetrieb erreicht.
-
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 102010007023 A1 [0002]
