DE102015110558B4

DE102015110558B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015110558B4
Application number: DE102015110558.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Czapka; Nils Lindenkamp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: DE102015110558A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Ottomotor (10), der einen Brennraum (12) umfasst, wobei der Viertakt-Ottomotor (10) mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist und wobei ein dem Brennraum (12) zugeordnetes, mittels einer Einlassbetätigungsvorrichtung betätigbares Einlassventil (26) und ein dem Brennraum (12) zugeordnetes, mittels einer Auslassbetätigungsvorrichtung betätigbares Auslassventil (28) vorgesehen sind, wobei die Auslassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese einen zumindest teilweise vor LOT liegenden ersten Öffnungshub und einen zumindest teilweise nach LUT liegenden zweiten Öffnungshub für das Auslassventil (28) realisiert, und wobei die Einlassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese nach LUT einen mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil (28) zumindest teilweise überschneidenden Öffnungshub für das Einlassventil (26) realisiert, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (54), die derart ausgebildet ist, dass- eine Zufuhr von Kraftstoff in den Brennraum (12) derart gesteuert oder geregelt wird, dass zu Beginn des zweiten Öffnungshubs für das Auslassventil (28) ein stöchiometrisches Mischungsverhältnis in dem Brennraum (12) vorliegt, und/oder- für einen LET-Betrieb und/oder infolge eines Lastsprungs im Betrieb des Viertakt-Ottomotors (10)- die Auslassbetätigungsvorrichtung in einen ersten Schaltzustand geschaltet wird, in dem der erste und zweite Öffnungshub für das Auslassventil realisiert ist, während in einem zweiten Schaltzustand der Auslassbetätigungsvorrichtung ein einfacher Öffnungshub für das Auslassventil realisiert ist und/oder- die Einlassbetätigungsvorrichtung in einen ersten Schaltzustand geschaltet wird, in dem der mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil nach LUT zumindest teilweise überschneidende Öffnungshub für das Einlassventil (26) realisiert ist, während in einem zweiten Schaltzustand der Einlassbetätigungsvorrichtung ein im Vergleich dazu früher endender Öffnungshub für das Einlassventil (26) realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen mit aufgeladenen Ottomotoren sind in der Serienanwendung nach wie vor fast ausschließlich mit Wastegate-Abgasturboladern ausgestattet, bei denen im Vergleich zu den bei Dieselmotoren vielfach genutzten Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie (VTG) der Auslegungszielkonflikt zwischen dem erzielbaren Eckdrehmoment („Low-End-Torque“, LET) beziehungsweise dem Ansprechverhalten nach einem Lastsprung („Fahrdynamik“) einerseits und der möglichen Nennleistung andererseits vergleichsweise stark ausgeprägt ist.
Um das LET und die Fahrdynamik zu verbessern, wird vielfach das sogenannte LOT-Scavenging, d.h. eine vergleichsweise große Ventilüberschneidung im oberen Totpunkt eines Kolbens des Ottomotors, bei dem der Ladungswechsel stattfindet (LOT), vorgesehen. Unter der Voraussetzung eines positiven Spülgefälles werden hierzu die Einlass- und Auslassventile über Nockenwellensteller in definierte Ventilüberschneidungen (Scavenging) verfahren. Dadurch wird eine zusätzliche Luftmasse direkt aus dem Saugrohr über die Auslassventile in den Abgasstrang gespült, was gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Enthalpieangebots vor der Turbine des Abgasturboladers ist. Die so erreichte Erhöhung der Turbinenleistung und damit auch der Verdichtungsleistung führt zu einer Verbesserung der Lastsprungzeit.
Im LET-Bereich ist die darstellbare Ventilüberschneidung gegenüber dem dynamischen Betriebsfall geringer, da ein bestimmter Sauerstoffanteil im Abgas nicht überschritten werden darf. Dennoch führt ein LOT-Scavenging auch dabei zu einer deutlichen Verbesserung der LET-Charakteristik, sofern ein positives Spülgefälle anliegt.
Wird im Lastsprung das LOT-Scavenging eingesetzt, muss die Einspritzung des Kraftstoffs so geregelt werden, dass sich trotz der Spülluftmasse über die Ventilüberschneidung ein globales Verbrennungsluftverhältnis im Abgas von ungefähr Lambda = 1 einstellt. Dazu muss das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum bei geschlossenen Auslassventilen angefettet werden. Es hat sich gezeigt, dass es gerade im niedrigen Drehzahlbereich und demnach also genau dort, wo das LOT-Scavenging eingesetzt wird, nicht zu einer Durchmischung der Spülluftmasse und des fetten Abgasgemisches im Abgasstrang kommt. Grund hierfür ist der relativ hohe zeitliche Versatz bei der Einbringung der Gasmengen in den Abgasstrang. Dies hat zur Folge, dass insbesondere die mageren Gasmengen nicht vollständig im Katalysator umgesetzt werden können. Dies kann insbesondere mit einer erhöhten NO_x-Emission verbunden sein. Gleiches gilt prinzipiell auch für den LET-Betrieb mit LOT-Scavenging.
Aufgrund der niedrigeren Emissionsgrenzen ist dies im Rahmen der EU5-Gesetzgebung bisher nicht relevant gewesen. Dies wird sich jedoch im Zuge der neuen EU6ZD-Gesetzgebung infolge deutlich verschärfter Emissionsgrenzwerte grundsätzlich ändern. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass insbesondere die NO_x-Grenzwerte mit LOT-Scavenging sowohl im stationären (LET) als auch im dynamischen (Lastsprung) Betrieb nicht mehr einzuhalten sind.
Im Hinblick auf diese Problematik und unter der Voraussetzung, dass sowohl die Fahrdynamik als auch das LET auf einem vergleichbaren Niveau gehalten werden sollen, bietet sich als Ersatz für das LOT-Scavenging entweder eine deutlich kleinere Auslegung des Wastegate-Abgasturboladers an, was sich aber gleichermaßen negativ auf das Nennleistungspotential der Brennkraftmaschine auswirkt. Andererseits besteht die Möglichkeit, in die Komplexität der Aufladevorrichtung zu investieren und beispielsweise eine zweistufige Abgasturboaufladung, eine elektrisch unterstützte Abgasturboaufladung oder eine variable Turbinengeometrie vorzusehen. Dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.
Aus der DE 199 08 286 A1 ist ein Ventiltrieb bekannt, bei dem ein rohrförmiger Nockenträger drehfest und axial verschiebbar auf einer Grundwelle angeordnet ist. Der Nockenträger bildet axial versetzt zwei Nocken mit unterschiedlichen Nockenlaufbahnen aus. Durch das axiale Verschieben des Nockenträgers auf der Grundwelle kann ein Gaswechselventil durch die unterschiedlich geformten Nockenlaufbahnen in unterschiedlicher Weise betätigt werden.
Die DE 101 40 120 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer mittels eines Abgasturboladers und eines elektrisch angetriebenen Zusatzverdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei dem zur Verbesserung des Anfahrverhaltens eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs eine Sekundäreinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder während einer Ventilüberschneidung der dazugehörigen Einlass- und Auslassventile vorgesehen ist. Dadurch kann im Abgasstrang ein zündfähiges Gemisch erzeugt werden, das mittels einer im Abgasstrang angeordneten Zündvorrichtung entzündet wird. Die so gesteigerte Enthalpie des Abgases soll den Wirkungsgrad des Abgasturboladers und damit das Anfahrverhalten des Kraftfahrzeugs verbessern.
Weiterhin ist in der DE 10 2004 001 249 A1 offenbart, einen Katalysator eines aufgeladenen Ottomotors möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, indem im Rahmen eines Spülvorgangs, der durch eine Überschneidung der Ventilsteuerzeiten der Einlass- und Auslassventile erreicht wird, unverbrannte Kraftstoffbestandteile mit Sauerstoff in den Abgasstrang eingebracht werden, wo diese exotherm reagieren und dabei zusätzliche Wärmeenergie zum Aufheizen des Katalysators bereitstellen.
In der EP 1 338 777 A1 ist ein Viertakt-Ottomotor offenbart, bei dem die Einlass- und Auslassventile von einer gemeinsamen Nockenwelle mit Phasensteller betätigt werden, wobei im Zustand einer Frühverstellung der Nockenwelle ein Atkinson-Zyklus im Betrieb des Viertakt-Ottomotors realisiert wird.
Die DE 10 2006 037 396 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der vorgesehen ist, die Auslassventile mit einem Zusatzhub zu betätigen, der hauptsächlich in dem Bereich vor LUT liegt. Mittels dieses Zusatzhubs soll primär in einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine eine besonders große Motorbremsleistung realisiert werden, während in einem normalen, befeuerten Betrieb eine innere Abgasrückführung realisiert wird.
Die DE 10 2009 014 087 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, die sowohl mit Kompressionszündung als auch mit Fremdzündung betrieben werden kann. Weiterhin kann für die Auslassventile ein Zusatzhub nach dem LOT vorgesehen sein, wodurch eine innere Abgasrückführung realisiert werden soll.
Die US 2009 / 0 173 062 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, die als Ottomotor ausgebildet sein kann und bei der zeitweise die Auslassventile mit einem Zusatzhub betätigt werden können, der in etwa im LUT beginnt und noch innerhalb der ersten Hälfte des darauf folgenden Kompressionstakts endet. Dabei wird zumindest kurzfristig und in geringfügigem Umfang eine Ventilüberschneidung nach LUT mit den noch nicht vollständig geschlossenen Einlassventilen realisiert. Durch den Zusatzhub für die Auslassventile soll eine Stickoxid-Emission reduziert werden, indem ein Teil des während des Ansaugtakts angesaugten Frischgases über die erneut geöffneten Auslassventile aus den Brennräumen ausgestoßen wird, bevor eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf möglichst kostengünstige Weise ein gutes LET sowie ein gutes dynamisches Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine mit aufgeladenem Viertakt-Ottomotor bei gleichzeitig vorteilhaftem Abgasemissionsverhalten zu realisieren.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein gutes LET und/oder ein gutes dynamisches Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine mit aufgeladenem Viertakt-Ottomotor entsprechend dem Vorgehen bei dem bekannten LOT-Scavenging dadurch zu erreichen, dass durch eine Ventilüberschneidung zwischen dem oder den Einlass- und Auslassventilen und unter Ausnutzung eines positiven Spülgefälles (d.h. eines Überdrucks in dem sich an den Viertakt-Ottomotor anschließenden Abschnitt des Frischgasstrangs im Vergleich zu dem sich an den Viertakt-Ottomotor anschließenden Abschnitt des Abgasstrangs) die Möglichkeit geschaffen wird, eine zusätzliche Gemischmenge in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine einzubringen, wodurch die Enthalpie der Abgas(gemisch)strömung vor (stromauf) der Turbine des Abgasturboladers und damit im Ergebnis auch die Verdichtungsleistung des Abgasturboladers erhöht werden kann. Anders als bei dem bekannten LOT-Scavenging soll dabei jedoch nicht im Wesentlichen Frischgas und somit ein mageres Gemisch sondern ein möglichst homogenes Kraftstoff-Frischgas-Gemisch zusätzlich in den Abgasstrang eingebracht werden, das in einem sich an die Turbine anschließend in den Abgasstrang integrierten Abgaskatalysator gut umsetzbar ist, so dass durch diese Maßnahme, anders als bei dem bekannten LOT-Scavenging, keine Verschlechterung des Abgasemissionsverhaltens der Brennkraftmaschine zu erwarten ist. Dabei kann die gute Umsetzbarkeit in dem Abgaskatalysator sowohl für das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch an sich als auch für eine sich aus einer Nachverbrennung dieses Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in dem Abgasstrang ergebende Abgasmenge gegeben sein. Eine solche Nachverbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs würde, sofern sie stromauf der Turbine des Abgasturboladers, beispielsweise in einem sich direkt an den Viertakt-Ottomotor anschließenden Abgaskrümmer, erfolgt, zusätzlich den Vorteil aufweisen, dass für die angestrebte Erhöhung der Verdichtungsleistung des Abgasturboladers die gesamte Enthalpie des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs genutzt werden kann.
Um diesen Grundgedanken der Erfindung bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine, die einen einen Brennraum ausbildenden Viertakt-Ottomotor und einen Abgasturbolader zur Aufladung des Viertakt-Ottomotors sowie vorzugsweise einen Abgaskatalysator, insbesondere einen Dreiwegekatalysator, umfasst, wobei ein dem Brennraum zugeordnetes, mittels einer Einlassbetätigungsvorrichtung betätigbares Einlassventil und ein dem(selben) Brennraum zugeordnetes, mittels einer Auslassbetätigungsvorrichtung betätigbares Auslassventil vorgesehen sind, umzusetzen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Auslassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese einen zumindest teilweise vor LOT liegenden ersten Öffnungshub und einen zumindest teilweise nach LUT liegenden zweiten Öffnungshub für das Auslassventil realisiert, und dass die Einlassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese einen mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil nach LUT zumindest teilweise überschneidenden Öffnungshub für das Einlassventil realisiert.
Anders als bei dem bekannten LOT-Scavenging ist die erfindungsgemäß vorgesehene Ventilüberschneidung (gleichzeitige Öffnung zumindest eines Einlass- und eines Auslassventils, die demselben Brennraum zugeordnet sind) nicht im Bereich des LOT, d.h. dem oberen Totpunkt des dem Brennraum zugeordneten Kolbens, zu dem ein Ladungswechsel stattfindet, vorgesehen, sondern nach dem LUT, d.h. dem unteren Totpunkt, zu dem ein Ladungswechsel stattfindet, vorgesehen. Dies weist den Vorteil auf, dass zu diesem Zeitpunkt bereits Kraftstoff in den Brennraum eingebracht worden ist, sei es durch Ansaugen eines Kraftstoff-Frischgas-Gemisches (beispielsweise bei einem Viertakt-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung) oder - vorzugsweise - durch direktes Einspritzen in den Brennraum (bei einem direkt einspritzenden Viertakt-Ottomotor) während des zwischen dem LOT und dem LUT liegenden Ansaugtakts. Demnach handelt es sich bei der durch diese Ventilüberschneidung zusätzlich in den Abgasstrang eingebrachten Gemischmenge um ein Kraftstoff-Frischgas-Gemisch, das oder dessen sich aus einer Nachverbrennung im Abgasstrang ergebendes Abgas vorteilhaft in einem Abgaskatalysator, insbesondere einem Dreiwegekatalysator, wie er vorzugsweise in einen Abgasstrang der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (insbesondere stromab (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases) einer Turbine des Abgasturboladers) integriert ist, umsetzbar ist.
Da eine solche Umsetzung des in den Abgasstrang eingebrachten Kraftstoff-Frischgas-Gemisches (oder des sich aus einer Nachverbrennung ergebenden Abgases) insbesondere dann gut umsetzbar ist, wenn dieses ein stöchiometrisches Mischungsverhältnis aufweist, kann in einem Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass eine (in dem Ansaugtakt zwischen LOT und LUT erfolgende) Zufuhr von Kraftstoff in den Brennraum derart gesteuert oder geregelt wird, dass zu Beginn des zweiten Öffnungshubs für das Auslassventil ein solches möglichst stöchiometrisches Mischungsverhältnis in dem Brennraum vorliegt. Für eine automatische Durchführung eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine entsprechend ausgebildete und insbesondere entsprechend programmierte Steuervorrichtung auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Ventilüberschneidung nach LUT in Relation zu dem Öffnungshub für das Einlassventil größtmöglich ist. Demnach sollte in einem Steuerzeitendiagramm, in dem die Verläufe der Ventilhübe des Einlass- und Auslassventils über dem Drehwinkel einer Kurbelwelle („Kurbelwinkel“) des Viertakt-Ottomotors aufgetragen sind, die Fläche, die nach LUT von beiden Ventilhubkurven gemeinsam eingeschlossen ist, so weit wie möglich der Größe der Fläche, die nach LUT von der Ventilhubkurve des Einlassventils eingeschlossen ist, entsprechen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der dort gelegene zweite Öffnungshub für das Auslassventil nicht deutlich vor LUT beginnen sollte, weil dies ein Ansaugen von Frischgas in dem zwischen LOT und LUT liegenden Ansaugtakt negativ beeinflussen könnte. Ebenso ist zu berücksichtigen, dass das Einlassventil bei LUT bereits weit oder gegebenenfalls auch weitestmöglich geöffnet sein kann, so dass in der Regel eine Identität der Größe der Ventilüberschneidung in Relation zu dem Öffnungshub für das Einlassventil nicht zu erreichen ist. Als Folge daraus sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Endzeitpunkte für den Öffnungshub des Einlassventils und für den zweiten Öffnungshub des Auslassventils und insbesondere auch die Schließverläufe für diese Öffnungshübe möglichst identisch sind. Zumindest sollte jedoch nicht vorgesehen sein, dass der Schließzeitpunkt für den Öffnungshub des Einlassventils nach dem Schließzeitpunkt für den zweiten Öffnungshub des Auslassventils liegt. Vorgesehen sein kann jedoch, dass der Schließzeitpunkt für den Öffnungshub des Einlassventils vor dem Schließzeitpunkt für den zweiten Öffnungshub des Auslassventils liegt. Durch eine größtmögliche Dimensionierung der Ventilüberschneidung nach LUT in Relation zu dem Öffnungshub für das Einlassventil nach LUT kann erreicht werden, dass der Zeitraum nach LUT, innerhalb dessen das Einlassventil im relevanten Maße weiter als das Auslassventil geöffnet ist, minimiert ist, wodurch ein zumeist ungewolltes Ausschieben von Kraftstoff-Frischgas-Gemisch in den Frischgasstrang (anstelle von in den Abgasstrang) entsprechend minimiert werden kann.
Dem gleichen Ziel kann auch dienen, wenn vorgesehen ist, dass der maximale Öffnungsweg des Öffnungshubs für das Einlassventil kleiner als der maximale Öffnungsweg des ersten Öffnungshubs für das Auslassventil ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der zweite Öffnungshub für das Auslassventil vorzugsweise kürzer als der erste Öffnungshub für das Auslassventil gewählt werden sollte. Vorzugsweise können die maximalen Öffnungswege des Öffnungshubs für das Einlassventil und des zweiten Öffnungshubs für das Auslassventil in etwa gleich groß sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Ventilüberschneidung zwischen dem ersten Öffnungshub für das Auslassventil und dem Öffnungshub für das Einlassventil realisiert ist. Mittels einer solchen Ventilüberschneidung, die insbesondere den LOT umfassen oder kurz danach liegen kann und zudem vorzugsweise relativ kurz (z.B. < 70°KW) sein sollte, kann unter anderem dazu dienen, Kraftstoff-Frischgas-Gemisch, das in dem vorausgegangenen Viertaktzyklus infolge eines nach LUT temporär weiter als das Auslassventil geöffneten Einlassventils in den Frischgasstrang ausgeschoben wurde, möglichst direkt von dem Frischgasstrang in den Abgasstrang überströmen zu lassen (vergleichbar zu dem Vorgehen bei dem bekannten LOT-Scavenging). Auch dadurch kann eine Erhöhung des Enthalpieangebots vor der Turbine des Abgasturboladers und daraus folgend eine Erhöhung der Verdichtungsleistung realisiert werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass die Auslassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese in einem ersten Schaltzustand den ersten und den zweiten Öffnungshub für das Auslassventil und in einem zweiten Schaltzustand einen einfachen Öffnungshub für das Auslassventil realisiert. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine kann dann vorsehen, dass (zumindest oder ausschließlich) für einen LET-Betrieb und/oder infolge eines Lastsprungs im dynamischen Betrieb des Viertakt-Ottomotors die Auslassbetätigungsvorrichtung in den ersten Schaltzustand geschaltet wird, weil sich in diesen Betriebszuständen des Viertakt-Ottomotors der durch den zweiten Öffnungshub für das Auslassventil (und dessen Überschneidung mit dem Öffnungshub für das Einlassventil) erreichbare Vorteil eines erhöhten Enthalpieangebots vor der Turbine, der wiederum in eine höhere Verdichtungsleistung umsetzbar ist, besonders vorteilhaft auswirkt. In (allen) anderen Betriebszuständen des Viertakt-Ottomotors kann dagegen vorgesehen sein, dass die Auslassbetätigungsvorrichtung in den zweiten Schaltzustand geschaltet wird, in dem nur ein einfacher Öffnungshub für das Auslassventil realisiert ist, was für diese Betriebszustände vorteilhaft sein kann. Insbesondere kann dadurch das für den LET-Betrieb oder für einen dynamischen Betrieb nach einem Lastsprung vorteilhafte Einbringen eines Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Abgasstrang und damit ein „Verlust“ von in dem Brennraum nicht umgesetzten Kraftstoffs vermieden werden, da in diesen Betriebszuständen dieser „Verlust“ nicht durch eine sinnvolle Erhöhung der Abgasenthalpie vor der Turbine kompensiert werden kann.
Als „LET-Betrieb“ wird erfindungsgemäß ein im Wesentlichen stationärer Betrieb des Viertakt-Ottomotors bei relativ geringen Drehzahlen (beispielsweise maximal 3000 1/min und relativ hoher Last (beispielsweise mindestens 20% der Volllast (bezogen auf den drehzahlabhängigen Abstand zwischen der Schiebebetriebskurve und der Volllastkurve in einem Motorkennfeld des Viertakt-Ottomotors)) verstanden.
Als „Lastsprung“ wird dagegen eine relativ starke und kurzfristige (z.B. < 1 Sekunde) Erhöhung der Lastanforderung an den Viertakt-Ottomotor (beispielsweise um mindestens 20% (bezogen auf den drehzahlabhängigen Abstand zwischen der Schiebebetriebskurve und der Volllastkurve im Motorkennfeld des Viertakt-Ottomotors) verstanden.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Einlassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese in einem ersten Schaltzustand den mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil nach LUT zumindest teilweise überschneidenden („langen“) Öffnungshub für das Einlassventil (der sich beispielsweise über einen Kurbelwinkel von 210° bis 240° erstrecken kann) realisiert und in einem zweiten Schaltzustand einen im Vergleich dazu früher endenden und vorzugsweise auch kürzeren Öffnungshub für das Einlassventil realisiert. Diese Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens, bei dem (zumindest oder ausschließlich) für einen LET-Betrieb und/oder infolge eines Lastsprungs im dynamischen Betrieb des Viertakt-Ottomotors die Einlassbetätigungsvorrichtung in den ersten Schaltzustand geschaltet wird, während für (alle) andere(n) Betriebszustände die Einlassbetätigungsvorrichtung in den zweiten Schaltzustand geschaltet wird. Somit kann für einen LET-Betrieb und/oder infolge eines Lastsprungs im dynamischen Betrieb des Viertakt-Ottomotors der durch den zweiten Öffnungshub für das Auslassventil und dessen Überschneidung mit dem „langen“ Öffnungshub für das Einlassventil erreichbare Vorteil eines erhöhten Enthalpieangebots vor der Turbine erreicht werden, während in (allen) anderen Betriebszuständen des Viertakt-Ottomotors eine Verringerung der von dem Viertakt-Ottomotor erzeugten Leistung infolge eines bis nach LUT geöffneten Einlassventils vermieden wird. Dabei kann beispielsweise für den Öffnungshub für das Einlassventil in dem zweiten Schaltzustand der Einlassbetätigungsvorrichtung ein Öffnungsverlauf vorgesehen sein, der dem Öffnungsverlauf des ersten Öffnungshubs (im ersten Schaltzustand der Auslassbetätigungsvorrichtung) oder des einzigen Öffnungshubs (im zweiten Schaltzustand der Auslassbetätigungsvorrichtung) für das Auslassventil entspricht. Dabei können diese insbesondere als so genannte Standardöffnungshübe vorgesehen sein. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass der Öffnungshub für das Einlassventil in dem zweiten Schaltzustand der Einlassbetätigungsvorrichtung vor LUT endet (und vorzugsweise auch der maximale Öffnungsweg kleiner als bei einem Standardöffnungshub ist), wodurch ein den Wirkungsgrad positiv beeinflussender „Miller“-Prozess realisiert werden kann.
Ein solcher Miller“-Prozess beruht auf einem relativ frühen Schließen des Einlassventils während des Ansaugtakts, wodurch eine relativ geringe Menge von Frischgas in den Brennraum eingebracht wird. Die reduzierte Frischgasmenge führt in dem sich anschließenden Expansionstakt zu einer relativ stark ausgeprägten Expansion des Frischgases beziehungsweise des Kraftstoff-Frischgas Gemisches und damit zu relativ geringen Wärmeverlusten.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, für die Einlassbetätigungsvorrichtung (mindestens) drei Schaltzustände vorzusehen, wobei in dem ersten Schaltzustand der mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil nach LUT zumindest teilweise überschneidende („lange“) Öffnungshub für das Einlassventil realisiert ist, während in den beiden anderen Schaltzuständen im Vergleich dazu früher endende Öffnungshübe vorgesehen sind, von denen beispielsweise einer als Standardöffnungshub und ein anderer als „Miller“-Öffnungshub vorgesehen sein kann.
Für eine konstruktiv möglichst einfache Realisierung des (jeweiligen) ersten oder zweiten Schaltzustands für die Einlassbetätigungsvorrichtung und/oder die Auslassbetätigungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Einlassbetätigungsvorrichtung eine schaltbare Einlassnockenwelle und/oder die Auslassbetätigungsvorrichtung eine schaltbare Auslassnockenwelle umfasst/umfassen. Dabei kann die schaltbare Einlassnockenwelle und/oder die schaltbare Auslassnockenwelle beispielsweise so ausgebildet sein, wie dies in der DE 199 08 286 A1 beschrieben ist.
Eine Ausgestaltung der Einlassbetätigungsvorrichtung und/oder der Auslassbetätigungsvorrichtung als Einlass- und/oder Auslassnockenwelle kann grundsätzlich vorteilhaft sein. Alternative Ausgestaltungen, wie beispielsweise eine elektromagnetisch betätigte Einlassbetätigungsvorrichtung und/oder Auslassbetätigungsvorrichtung können aber ebenfalls eingesetzt werden.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Draufsicht;
2: in schematischer Darstellung den Viertakt-Ottomotor der Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht;
3: in einem Steuerzeitendiagramm die Öffnungsverläufe der Einlass- und Auslassventile in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine; und
4: in einem Steuerzeitendiagramm die Öffnungsverläufe der Einlass- und Auslassventile in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine.

In den 1 und 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine dargestellt. Mittels der Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor, der als Viertakt-Hubkolbenmotor nach dem Otto-Prinzip betreibbar ist („Viertakt-Ottomotor“ 10). Demnach umfasst der in jedem Brennraum 12 des Viertakt-Ottomotors 10 umsetzbare Kreisprozess vier Takte: (1) Ansaugen, (2) Verdichten (und Zünden), (3) Arbeiten beziehungsweise Expandieren und (4) Ausstoßen.
Der Viertakt-Ottomotor 10 bildet in einem Verbund 16 aus Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf mehrere (hier: vier) Zylinder 14 aus. Die Zylinder 14 sind einlassseitig mit einem Saugrohr 18 eines Frischgasstrangs und auslassseitig mit einem Abgaskrümmer 20 eines Abgasstrangs gasführend verbunden. In bekannter Weise wird in den Brennräumen 12, die von den Zylindern 14 zusammen mit darin geführten Kolben 22 sowie dem Zylinderkopf begrenzt sind, Frischgas (im Wesentlichen Luft) mit Kraftstoff verbrannt. Der Kraftstoff kann dazu mittels Injektoren 24 direkt in die Brennräume 12 eingespritzt werden. Das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches entstehende Abgas wird über den Abgasstrang abgeführt.
Die Zufuhr des Frischgases in die Brennräume 12 und die Abfuhr des Abgases aus den Brennräumen 12 wird über jeweils zwei Einlassventile 26 und zwei Auslassventile 28 je Zylinder 14 gesteuert, die von einem in der 1 nicht dargestellten Ventiltrieb des Viertakt-Ottomotors 10 betätigt werden. Der Ventiltrieb umfasst gemäß der 2 eine Kurbelwelle 30, die mit den Kolben 22 über Pleuel 32 verbunden ist, wodurch eine periodischen Linearbewegung der Kolben 22 in eine Rotation der Kurbelwelle 30 übersetzt wird. Die Rotation der Kurbelwelle 30 wird über ein Getriebe, beispielsweise ein Zahnriemengetriebe 34, auf zwei Nockenwellen übertragen, von denen jede über beispielsweise Kipphebel (nicht dargestellt) zwei Ventile je Brennraum 12 betätigt. Von den Nockenwellen ist eine als Einlassnockenwelle 36 ausgebildet, d.h. diese betätigt alle Einlassventile 26, während die andere Nockenwelle als Auslassnockenwelle 38 ausgebildet ist und folglich alle Auslassventile 28 betätigt.
Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin einen Abgasturbolader. Dieser weist eine in den Abgasstrang integrierte (z.B. Mixed-Flow-)Turbine 42 sowie einen in den Frischgasstrang integrierten Verdichter 44 auf. Ein von dem Abgasstrom rotierend angetriebenes Laufrad der Turbine 42 treibt über eine Welle 46 ein Laufrad des Verdichters 44 an. Die so bewirkte Rotation des Laufrads des Verdichters 44 verdichtet das durch diesen hindurch geführte Frischgas. Mittels eines Wastegates 64 kann eine Ladedruckbegrenzung erzielt werden, in dem in einem Betrieb des Viertakt-Ottomotors 10 mit hohen Drehzahlen und/oder Lasten ein Teil der Abgasströmung an der Turbine vorbeigeführt wird.
Weiterhin ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Form eines Dreiwegekatalysators 40 in den Abgasstrang integriert.
Die 3 und 4 zeigen in jeweils einem Steuerzeitendiagramm den Öffnungsverlauf 48 (gestrichelte Kurve) der beiden einem Brennraum 12 zugeordneten Einlassventile 26 sowie den Öffnungsverlauf 50 (durchgezogene Linie) der beiden demselben Brennraum 12 zugeordneten Auslassventile 28 in einem den LOT sowie den LUT umfassenden Abschnitt eines Viertaktzyklus des Viertakt-Ottomotors 10, der insgesamt zwei Umdrehungen der Kurbelwelle (entspricht einer Umdrehung der die Einlassventile 26 und die Auslassventile 28 steuernden Nockenwellen) umfasst, innerhalb dessen die vier Takte zueinander phasenverschoben in jedem der Brennräume 12 ablaufen.
Dabei unterscheiden sich die Öffnungsverläufe 48, 50 von sowohl den Einlassventilen 26 als auch den Auslassventilen 28 im Vergleich der beiden Steuerzeitendiagramme. Während die 3 die Öffnungsverläufe 48, 50 zeigt, wie sie während eines im Wesentlichen stationären Betriebs des Viertakt-Ottomotors 10 mit relativ niedrigen Drehzahlen und relativ hoher Last, dem sogenannten LET-Betrieb, als auch während eines dynamischen Betriebs nach einem Lastsprung vorgesehen sind, sind in der 4 die Öffnungsverläufe 48, 50 dargestellt, wie sie für alle übrigen Betriebszustände des Viertakt-Ottomotors 10 eingestellt werden.
Ein Umschalten zwischen den unterschiedlichen Öffnungsverläufen 48, 50 gemäß den 3 und 4 wird durch eine schaltbare Ausgestaltung von sowohl der Einlassnockenwelle 36 als auch der Auslassnockenwelle 38 in Verbindung mit jeweils einer entsprechenden Schaltvorrichtung 52 realisiert, die von einer Steuervorrichtung 54, beispielsweise der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine, angesteuert wird. Die schaltbare Ausgestaltung der Einlassnockenwelle 36 und der Auslassnockenwelle 38 beruht auf einer längsaxialen Verschiebbarkeit von Nockenträgern auf einer Grundwelle mittels der Schaltvorrichtung 52, wobei jeder der einem Einlass- oder Auslassventil zugeordneten Nockenträger zwei unterschiedlichen Nockenlaufbahnen aufweist, die in Abhängigkeit von der eingestellten Verschiebestellung alternativ mit dem entsprechenden Einlassventil 26 oder Auslassventil 28 zusammenwirken.
Wie sich aus der 3 ergibt, ist während eines LET-Betriebs und temporär während eines dynamischen Betriebs des Viertakt-Ottomotors 10 nach einem Lastsprung vorgesehen, dass die Auslassventile 28 zum einen in einem ersten (Standard-)Öffnungshub, der ungefähr bei - 180° vor LOT beginnt (1.AÖ) und (beispielsweise ca. 60°) hinter LOT endet (1.AS), und zum anderen in einem zweiten Öffnungshub (2.AÖ bis 2.AS), der im Vergleich zu dem ersten Öffnungshub kürzer (bezogen auf den davon umfassten Kurbelwinkel φ [°KW]) ist und einen kleineren maximalen Öffnungsweg s aufweist, betätigt werden. Dabei beginnt (2.AÖ) der zweite Öffnungshub erst kurz (beispielsweise höchstens 10°KW) vor LUT, so dass dieser hauptsächlich nach LUT gelegen ist.
Weiterhin ist in diesen Betriebszuständen des Viertakt-Ottomotors 10 vorgesehen, dass die Einlassventile 26 mit einem (einfachen) „langen“ Öffnungshub betätigt werden, der ungefähr bei LOT beginnt (EÖ) und gleichzeitig mit dem zweiten Öffnungshub für die Auslassventile endet (ES). Konkret sind dabei die Schließbewegungen bei diesen Öffnungshüben sogar identisch (im Steuerzeitendiagram überdeckend). Dadurch ergibt sich ein (erster) Ventilüberschneidungsbereich 60 der Einlassventile 26 und der Auslassventile 28 nach LUT, wodurch ein Teil des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches, das einerseits aus Frischgas, das während des zwischen LOT und LUT abgelaufenen Ansaugtakts aus dem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine in den entsprechenden Brennraum 12 eingebracht worden ist, und andererseits aus während dieses Ansaugtakts eingebrachtem Kraftstoff (vgl. Einspritzbeginn 56 in der 3) besteht, während des sich an den LUT anschließenden Verdichtungstakts durch die geöffneten Auslassventile 28 in den Abgasstrang ausgebracht wird. Dabei erfolgt die Einbringung des Kraftstoffs derart, dass zu Beginn des zweiten Öffnungshubs für die Auslassventile 28 ein möglichst stöchiometrisches Mischungsverhältnis in den Brennräumen 12 vorliegt, so dass dies auch für die in den Abgasstrang ausgeschobene Teilmenge des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches gilt.
Infolge des zweiten Öffnungshubs für die Auslassventile 28 in Verbindung mit dem „langen“ Öffnungshub für die Einlassventile 26 wird in einem Viertaktzyklus eine definierte Menge eines Gasgemisches (Kraftstoff-Frischgas-Gemisch) zusätzlich zu dem bei der Verbrennung während des Expansionstakts entstandenen Abgas(gemisch), das während des ersten Öffnungshubs für die Auslassventile 28 ausgebracht wird, in den Abgasstrang gefördert, wodurch das Enthalpieangebot vor der Turbine 42 des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine erhöht wird. Dadurch wird folglich auch die Verdichtungsleistung, die von dem Verdichter 44 aufgebracht wird, erhöht. Diese erhöhte Verdichtungsleistung führt in den entsprechenden Betriebszuständen, d.h. in einem LET-Betrieb sowie in einem dynamischen Betrieb des Viertakt-Ottomotors 10 nach einem Lastsprung, zu einer relativ guten Füllung der Brennräume 12 und damit zu einem relativ hohen von dem Viertakt-Ottomotor 10 erzeugten Drehmoment.
Um zu vermeiden, dass die Füllung der Brennräume 12 während des jeweiligen Ansaugtakts durch ein Ansaugen von Abgas aus dem Abgasstrang verschlechtert wird, wodurch zudem das Enthalpieangebot im Abgasstrang vor der Turbine 42 verringert würde, ist vorgesehen, dass der zweite Öffnungshub für die Auslassventile 28 nur sehr kurz vor LUT beginnt. Infolge des zwangsläufig gegebenen Erhebungsgradienten für den zweiten Öffnungshub ergibt sich in Verbindung mit dem bereits bei LUT vollständig geöffneten Einlassventilen 26 ein (Vorverlagerungs-)Bereich 58 nach LUT, in dem die Einlassventile 26 weiter als die Auslassventile 28 geöffnet sind. In diesem Vorverlagerungsbereich 58 kann trotz eines positiven Spülgefälles ein Ausstoßen (Vorverlagern) von Kraftstoff-Frischgas-Gemisch in den Frischgasstrang erfolgen. Dies wird erst dann infolge des positiven Spülgefälles verhindert, wenn die Auslassventile 28 mindestens so weit wie die Einlassventile 26 geöffnet sind. Um die Fläche dieses Vorverlagerungsbereichs 58 möglichst klein zu halten, ist vorgesehen, dass sowohl die Verläufe der Schließbewegungen der Einlassventile 26 und der Auslassventile 28 (während des zweiten Öffnungshubs) als auch die maximalen Öffnungswege s für die Einlassventile 26 einerseits und die Auslassventile 28 während des zweiten Öffnungshubs andererseits im Wesentlichen identisch sind.
Eine möglicherweise ungewollte Vorverlagerung von einer relativ kleinen Menge des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in dem Vorverlagerungsbereich 58 des Steuerzeitendiagramms gemäß der 3 kann kompensiert werden, indem diese genutzt wird, um das Enthalpieangebot im Abgasstrang vor der Turbine 42 weiter zu erhöhen. Dazu wird ähnlich zu dem Vorgehen bei dem bekannten LOT-Scavenging im Bereich des LOT ein zweiter Ventilüberschneidungsbereich 62 realisiert, in dem unter der Voraussetzung eines positiven Spülgefälles eine Gasüberströmung zwischen dem Frischgasstrang und dem Abgasstrang gegeben ist. Anders als bei dem bekannten LOT-Scavenging ist das dabei überströmende Gas(gemisch) jedoch nicht mager sondern weist ein im Wesentlichen stöchiometrisches Mischungsverhältnis (λ = 1) auf, so dass auch diese zusätzlich in den Abgasstrang eingebrachte Kraftstoff-Frischgas-Gemischmenge gut in dem Dreiwegekatalysator 40 der Brennkraftmaschine umsetzbar ist.
Die 4 zeigt dagegen die Öffnungsverläufe 48, 50 der einem Brennraum 12 zugeordneten Einlassventile 26 und Auslassventile 28, wie sie für alle übrigen Betriebszustände des Viertakt-Ottomotors 10 vorgesehen sind. Dabei werden die Auslassventile 28 lediglich mit einem einfachen (einzigen) Öffnungshub, der dem ersten Öffnungshub bei dem Öffnungsverlauf 48 gemäß der 3 entspricht, betätigt, während für die Einlassventile 26 ein im Vergleich zu dem Öffnungsverlauf 50 gemäß der 3 kürzerer, dafür jedoch durch einen größeren maximalen Öffnungsweg s gekennzeichneter Öffnungshub vorgesehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht der Öffnungsverlauf 48 für die Einlassventile 26 dem Öffnungsverlauf 50 für die Auslassventile 28 mit Ausnahme eines Phasenversatzes von 180°KW. Alternativ dazu könnte auch ein Öffnungsverlauf 48 für die Einlassventile 26 vorgesehen sein, der kürzer ist und einen kleineren maximalen Öffnungsweg s aufweist als der Öffnungsverlauf 50 für die Auslassventile 28. Insbesondere kann dieser auch vor LUT beendet sein, um einen „Miller“-Prozess im Betrieb des Viertakt-Ottomotors zu realisieren.
Bezugszeichenliste

10: Viertakt-Ottomotor
12: Brennraum
14: Zylinder
16: Verbund aus Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf
18: Saugrohr
20: Abgaskrümmer
22: Kolben
24: Injektor
26: Einlassventil
28: Auslassventil
30: Kurbelwelle
32: Pleuel
34: Zahnriemengetriebe
36: Einlassnockenwelle
38: Auslassnockenwelle
40: Dreiwegekatalysator
42: Turbine des Abgasturboladers
44: Verdichter des Abgasturboladers
46: Welle des Abgasturboladers
48: Öffnungsverlauf der Einlassventile
50: Öffnungsverlauf der Auslassventile
52: Schaltvorrichtung für die Einlassnockenwelle oder die Auslassnockenwelle
54: Steuervorrichtung
56: Einspritzbeginn
58: Vorverlagerungsbereich
60: erster Ventilüberschneidungsbereich
62: zweiter Ventilüberschneidungsbereich

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Ottomotor (10), der einen Brennraum (12) umfasst, wobei der Viertakt-Ottomotor (10) mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist und wobei ein dem Brennraum (12) zugeordnetes, mittels einer Einlassbetätigungsvorrichtung betätigbares Einlassventil (26) und ein dem Brennraum (12) zugeordnetes, mittels einer Auslassbetätigungsvorrichtung betätigbares Auslassventil (28) vorgesehen sind, wobei die Auslassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese einen zumindest teilweise vor LOT liegenden ersten Öffnungshub und einen zumindest teilweise nach LUT liegenden zweiten Öffnungshub für das Auslassventil (28) realisiert, und wobei die Einlassbetätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese nach LUT einen mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil (28) zumindest teilweise überschneidenden Öffnungshub für das Einlassventil (26) realisiert, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (54), die derart ausgebildet ist, dass - eine Zufuhr von Kraftstoff in den Brennraum (12) derart gesteuert oder geregelt wird, dass zu Beginn des zweiten Öffnungshubs für das Auslassventil (28) ein stöchiometrisches Mischungsverhältnis in dem Brennraum (12) vorliegt, und/oder - für einen LET-Betrieb und/oder infolge eines Lastsprungs im Betrieb des Viertakt-Ottomotors (10) - die Auslassbetätigungsvorrichtung in einen ersten Schaltzustand geschaltet wird, in dem der erste und zweite Öffnungshub für das Auslassventil realisiert ist, während in einem zweiten Schaltzustand der Auslassbetätigungsvorrichtung ein einfacher Öffnungshub für das Auslassventil realisiert ist und/oder - die Einlassbetätigungsvorrichtung in einen ersten Schaltzustand geschaltet wird, in dem der mit dem zweiten Öffnungshub für das Auslassventil nach LUT zumindest teilweise überschneidende Öffnungshub für das Einlassventil (26) realisiert ist, während in einem zweiten Schaltzustand der Einlassbetätigungsvorrichtung ein im Vergleich dazu früher endender Öffnungshub für das Einlassventil (26) realisiert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Öffnungshub für das Auslassventil (28) gleichzeitig oder nach dem Öffnungshub für das Einlassventil (26) endet und/oder die Schließbewegungen dieser beiden Öffnungshübe identisch sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilüberschneidung zwischen dem ersten Öffnungshub des Auslassventils (28) dem Öffnungshub des Einlassventils (26) realisiert ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Abgaskatalysator.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassbetätigungsvorrichtung eine schaltbare Einlassnockenwelle (36) und/oder die Auslassbetätigungsvorrichtung eine schaltbare Auslassnockenwelle (38) umfasst.