DE102015214359B4 - Verfahren zum Betreiben einer parallel aufgeladenen Brennkraftmaschine mit zuschaltbarer Turbine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens drei Zylindern (3), bei der- jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4, 4a, 4b) zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslaßöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4, 4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (5) anschließt,- mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem (5) angeordnete Turbine (8a, 9a) umfasst,- die Abgasleitungen (5a) der zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) der mindestens drei Zylindern (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (7a) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist,- die Abgasleitungen (5b) der anderen Auslassöffnungen (4b) der mindestens drei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, und- jede zuschaltbare Auslassöffnung (4a) mit einem im Hinblick auf den Ventilhub Δh verstellbaren Hubventil ausgestattet ist, welches die Auslassöffnung (4a) freigibt oder versperrt, wobei ein zugeschaltetes Hubventil sich zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs Δh bewegt und dabei die dazugehörige Auslassöffnung (4a) während einer Öffnungsdauer Δt freigibt, bei dem ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden Hubventile zugeschaltet und betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass- der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive vergrößert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei Zylindern, bei der
• - jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
• - mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst,
• - die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen der mindestens drei Zylindern unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist,
• - die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens drei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und
• - jede zuschaltbare Auslassöffnung mit einem im Hinblick auf den Ventilhub Δh verstellbaren Hubventil ausgestattet ist, welches die Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein zugeschaltetes Hubventil sich zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs Δh bewegt und dabei die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt freigibt,
bei dem ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden Hubventile zugeschaltet und betätigt werden.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
• Eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art offenbart beispielsweise die DE 10 2007 046 657 A1 , wobei die den zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeordneten Hubventile im Hinblick auf den Ventilhub Δh stufenweise oder kontinuierlich, d. h. stufenlos verstellbar sein können. Die erste Turbine wird aktiviert, indem die zu den abgeschalteten Auslassöffnungen gehörenden Hubventile zugeschaltet und betätigt werden.
• Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder an einer Montage-Stirnseite miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane - in der Regel in Gestalt von Hubventilen - und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Jedes Hubventil bewegt sich unter Ausbildung, d. h. Vollziehen eines Ventilhubs zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung und gibt dabei die ventilzugehörige Öffnung während einer Öffnungsdauer frei. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.
• Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen der Brennräume mit Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei in der Regel eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Brennräume sowie ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Auch die mindestens drei Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet.
• Die Einlasskanäle, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber - wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine - gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei das Teilstück der Gesamtabgasleitung, welches stromaufwärts einer in der Gesamtabgasleitung angeordneten Turbine liegt, erfindungsgemäß als zum Abgaskrümmer gehörend angesehen wird.
• Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt und gegebenenfalls einem oder mehreren Systemen zur Abgasnachbehandlung.
• Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
• Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens drei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
• Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
• Grundsätzlich ist man bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise zum einen die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und zum anderen ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine und damit des Turboladers zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird daher auch grundsätzlich angestrebt, die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und der Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der Abgasleitungen erreicht werden kann.
• Die Auslegung der Abgasturboladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis und der Ladedruck ebenfalls abnehmen, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
• Grundsätzlich könnte dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Damit wird der Drehmomentabfall aber nur weiter zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen, d. h. großen Abgasmengen, uneingeschränkt möglich sein soll.
• Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
• Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet die Abgasmenge eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
• Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
• Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern. Das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine ist deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist, d. h. sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
• Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
• Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel angeordneten Turbinen ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Mindestens eine Turbine ist als zuschaltbare Turbine ausgebildet, welche nur bei größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt wird, d. h. aktiviert wird.
• Um die Drehmomentcharakteristik weiter zu verbessern, wird jeder Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit mindestens einer zuschaltbaren Auslassöffnung ausgestattet. Die Abgasleitungen von mindestens drei Zylindern werden dann gruppenweise in der Art zusammen geführt, dass die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen jeweils unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.
• Die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen führen zu der Turbine des ersten Abgasturboladers und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen zu der Turbine des zweiten Abgasturboladers. Die den zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeordnete erste Turbine ist damit als zuschaltbare Turbine ausgebildet. Nur bei größeren Abgasmengen werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die zuschaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt.
• Im Vergleich zu Konzepten, bei denen stromaufwärts der beiden Turbinen ein einziges zusammenhängendes Abgasleitungssystem vorgesehen ist, verbessert sich durch die vorstehend beschriebene Gruppierung, d. h. die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer, das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere bei kleinen Abgasmengen spürbar; auch weil das Leitungsvolumen stromaufwärts der kontinuierlich von Abgas durchströmten zweiten Turbine durch diese Maßnahme verkleinert wird, was bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen, vorteilhaft ist und insbesondere das Ansprechverhalten verbessert.
• Es ergeben sich aber auch Nachteile. Die Drehzahl der zuschaltbaren Turbine fällt bei Deaktivierung stark ab, so dass bei erneutem Zuschalten das Laufzeug dieser Turbine zunächst beschleunigt werden muss, um verdichterseitig den gewünschten Ladedruck generieren und bereitstellen zu können. Das Ansprechverhalten verschlechtert sich.
• Um eine Mindestdrehzahl der zuschaltbaren Turbine sicherzustellen, könnte die zuschaltbare Turbine auch bei abgeschalteten Auslassöffnungen mit einem kleinen Abgasstrom versorgt werden. Hierzu müsste eine entsprechende Leitung den zweiten Abgaskrümmer mit der ersten Turbine gegebenenfalls unter Verwendung mindestens eines zusätzlichen Absperrelementes verbinden, wodurch aber die Komplexität und der Raumbedarf des Abgasleitungssystems stromaufwärts der Turbinen in unvorteilhafter Weise zunehmen. Darüber hinaus würde durch die Leitung eine Verbindung zwischen beiden Abgaskrümmern geschaffen und die oben beschriebene Gruppierung aufgehoben werden. Die durch die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer erzielten Effekte würden zumindest abgeschwächt werden.
• Ein weiterer Nachteil bei Einsatz einer zuschaltbaren Turbine der vorstehend beschriebenen Art, bei der zuschaltbare Auslassöffnungen als Mittel zum Schalten Verwendung finden, besteht darin, dass beim Zuschalten der Auslassöffnungen zwecks Zuschalten der Turbine der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom schlagartig abnimmt, da dem Abgas während des Ladungswechsels nunmehr je Zylinder eine weitere Auslassöffnung, nämlich die zugeschaltete Auslassöffnung, zur Verfügung steht. Beim Zuschalten der Turbine vermindert sich dann der mit dem zweiten Verdichter generierte Ladedruck abrupt. Der mit dem Ladedruckabfall einhergehende Drehmomentabfall ist unerwünscht. Insofern sind Maßnahmen erforderlich, um das transiente Verhalten der Abgasturboaufladung beim Zuschalten der ersten Turbine zu verbessern.
• Ein Verfahren zum Aktivieren einer abgeschalteten Turbine wird auch in der DE 10 2007 046 655 A1 beschrieben. Die den abgeschalteten Auslassöffnungen zugehörigen Hubventile werden dabei nacheinander zugeschaltet und betätigt, d. h. zylinderweise zugeschaltet, so dass zunächst das Abgas eines Zylinders der abschaltbaren Turbine zugeführt wird, um diese zu beschleunigen. Im Weiteren wird dann die Abgasmenge durch Einbeziehen weiterer Zylinder erhöht. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass die Zylinder während des Zuschaltens der Turbine unterschiedlich betrieben werden bzw. betrieben werden müssen.
• Ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird auch in der EP 1 645 735 A1 beschrieben. Jeder Zylinder der Brennkraftmaschine weist zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase auf, wobei jede Auslassöffnung als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist.
• Das in der EP 1 645 735 A1 beschriebene Verfahren sieht vor, zum Aktivieren einer abgeschalteten Turbine ein Drosselelement in einer Verbindungsleitung zu öffnen, wodurch diese Turbine mit Abgas beaufschlagt und in Drehung versetzt wird. Die Verbindungsleitung verbindet bei geöffnetem Drosselelement die beiden Gesamtabgasleitungen bzw. die beiden Abgaskrümmer. Durch Öffnen des Drosselelements wird die abgeschaltete Turbine mit Abgas aus der anderen Gesamtabgasleitung bzw. dem anderen Abgaskrümmer versorgt. Dabei sind die Abgasöffnungen, über welche die der Turbine zugehörige Gesamtabgasleitung originär mit Abgas gespeist wird, verschlossen, da die zugehörigen Auslassventile sind nach wie vor deaktiviert.
• Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die Abgasturbolaufladung und die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine weiter verbessert wird.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei Zylindern, bei der
• - jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
• - mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst,
• - die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen der mindestens drei Zylindern unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist,
• - die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens drei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und
• - jede zuschaltbare Auslassöffnung mit einem im Hinblick auf den Ventilhub Δh verstellbaren Hubventil ausgestattet ist, welches die Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein zugeschaltetes Hubventil sich zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs Δh bewegt und dabei die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt freigibt,
bei dem ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslaßöffnungen gehörenden Hubventile zugeschaltet und betätigt werden, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass
• - der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive vergrößert wird.
• Erfindungsgemäß wird der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive vergrößert.
• Dabei kann der Ventilhub Δh mit jedem Arbeitsspiel oder aber alle paar Arbeitsspiele erhöht werden und dies in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, beispielsweise auch zu Beginn der Zuschaltphase alle drei Arbeitsspiele und gegen Ende mit jedem Arbeitsspiel.
• Die Verstellbarkeit der den zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeordneten Hubventile soll erfindungsgemäß die Steuerung, d. h. die sukzessive Erhöhung des der ersten Turbine zugeführten Abgasvolumenstroms ermöglichen.
• Ein im Ventilhub Δh verstellbares Hubventil weist im abgeschalteten Zustand keinen Hub auf und im zugeschalteten Modus den normalen Hub. Darüber hinaus gestattet ein solches Hubventil mindestens eine weitere Betätigung mit verringertem Hub. D. h. ein im erfindungsgemäßen Sinne verstellbares Hubventil ist ein Hubventil, das mindestens drei unterschiedliche Ventilhübe Δh₁, Δh₂, Δh₃ zulässt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die Abgasturbolaufladung und die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine weiter verbessert wird.
• Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen. Es können auch drei Abgasturbolader vorgesehen werden.
• Nach dem Stand der Technik werden Drei-Zylinder-Reihenmotoren selten mit zwei parallel angeordneten Turbinen ausgestattet. Die erfindungsgemäße Zusammenführung der Abgasleitungen lässt dies aber problemlos zu, obwohl Drei-Zylinder-Reihenmotoren einer Gruppierung, insbesondere einer Zylindergruppierung, üblicherweise nur schwer zugänglich sind.
• Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf mit drei Zylindern aufweist.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
• Bei Brennkraftmaschinen, bei denen das verstellbare Hubventil ein stufig verstellbares Hubventil ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive und stufenweise vergrößert wird.
• Ein stufig, insbesondere dreistufig verstellbares Hubventil ist ausreichend, um den der ersten Turbine zugeführten Abgasvolumenstrom beim bzw. zwecks Zuschalten der ersten Turbine sukzessive, d. h. nach und nach zu erhöhen.
• Bei Brennkraftmaschinen, bei denen das verstellbare Hubventil ein stufenlos verstellbares Hubventil ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive und stufenlos, d. h. kontinuierlich vergrößert wird.
• Ein stufenlos verstellbares Hubventil gestattet die kontinuierliche Erhöhung des Abgasvolumenstroms zur ersten Turbine beim Aktivieren.
• Bei Brennkraftmaschinen, bei denen das verstellbare Hubventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer Δt verstellbares Hubventil ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die erste Turbine bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge aktiviert wird, indem die Öffnungsdauer Δt der zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive vergrößert wird.
• Ein im vorstehenden Sinne verstellbares Hubventil ermöglicht zumindest drei unterschiedliche Öffnungsdauern Δt₁, Δt₂, Δt₃. Das abgeschaltete Ventil, das nicht betätigt und damit nicht geöffnet wird, verfügt über eine Öffnungsdauer, die Null ist. Zudem lässt sich im zugeschalteten Modus eine normale Öffnungsdauer realisieren, d. h. eine Öffnungsdauer wie beispielsweise die Öffnungsdauer der anderen Auslassöffnungen. Des Weiteren ist mindestens eine weitere Betätigung mit verkürzter Öffnungsdauer möglich.
• Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen, bei denen das verstellbare Hubventil ein im Hinblick auf den Ventilhub Δh und die Öffnungsdauer Δt verstellbares Hubventil ist.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2a, 2b, 2c und 2d näher beschrieben. Hierbei zeigt:
• 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
• 2a schematisch die Ventilerhebungskurve eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils bei Betrieb beider Turbinen der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine,
• 2b schematisch die Ventilerhebungskurven eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils beim Abschalten der ersten Turbine der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine,
• 2c schematisch die Ventilerhebungskurve eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils bei Betrieb einer Turbine der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine, und
• 2d schematisch die Ventilerhebungskurven eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils beim Zuschalten der ersten Turbine der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine.
• 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit zwei Abgasturboladern 8, 9 ausgestattet ist. Jeder Abgasturbolader 8, 9 umfasst eine Turbine 8a, 9a und einen Verdichter 8b, 9b. Das heiße Abgas entspannt sich in den Turbinen 8a, 9a unter Energieabgabe. Die Verdichter 8b, 9b komprimieren die Ladeluft, die via Ansaugsystem 11, Ladeluftkühler 10 und Plenum 12 den Zylindern 3 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird.
• Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder 3 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 2, d. h. in Reihe angeordnet sind. Jeder Zylinder 3 verfügt über zwei Auslassöffnungen 4, 4a, 4b, an die sich Abgasleitungen 5a, 5b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem 5 anschließen. Jeweils eine Auslassöffnung 4, 4a jedes Zylinders 3 ist als zuschaltbare Auslassöffnung 4a ausgebildet, die im Rahmen des Ladungswechsels nur dann geöffnet wird, wenn die Abgasmenge eine vorgegebene Abgasmenge übersteigt und die stromabwärts angeordnete erste Turbine 8a aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt werden soll.
• Die Abgasleitungen 5a der zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a sämtlicher Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 6a zu einer ersten Gesamtabgasleitung 7a zusammen, welche mit der Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 verbunden ist, die dadurch als zuschaltbare Turbine 8a fungiert.
• Die Abgasleitungen 5b der anderen Auslassöffnungen 4b sämtlicher Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 6b zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammen, welche mit der Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 verbunden ist.
• Beide Turbinen 8a, 9a sind in Waste-Gate-Bauweise ausgeführt, wobei jeweils eine Bypassleitung stromaufwärts einer Turbine 8a, 9a aus der zugehörigen Gesamtabgasleitung 6b, 7b abzweigt und stromabwärts dieser Turbine 8a, 9a wieder in die Gesamtabgasleitung 6b, 7b mündet.
• Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Ansaugsystem 11 zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern 3, wobei die Verdichter 8b, 9b der Turbolader 8, 9 parallel im Ansaugsystem 11 angeordnet sind. Der erste Verdichter 8b ist in einer ersten Ansaugleitung 11a angeordnet und der zweite Verdichter 9b in einer zweiten Ansaugleitung 11b. Die Ansaugleitungen 11a, 11b führen stromabwärts der Verdichter 8b, 9b zu einer Gesamtansaugleitung zusammen.
• Stromabwärts des ersten Verdichters 8b ist ein erstes Absperrelement 13a in der zugehörigen Ansaugleitung 11a angeordnet, so dass der erste Verdichter 8b bei abgeschalteter erster Turbine 8a vom übrigen Ansaugsystem 11 abgetrennt, d. h. deaktiviert werden kann und der zweite Verdichter 9b nicht in den ersten Verdichter 8b hinein fördert.
• Der erste Verdichter 8b wird bei abgeschalteter Turbine 8a zwar grundsätzlich nicht angetrieben. Damit der erste Verdichter 8b aber nicht gegen den Widerstand des verschlossenen ersten Absperrelementes 13a fördert, ist eine Abblaseleitung 14 vorgesehen, über welche die Ladeluft in die zweite Ansaugleitung 11b stromaufwärts des zweiten Verdichters 9b gefördert werden kann. In der Abblaseleitung 14 ist ein zweites Absperrelement 13b angeordnet.
• 2a zeigt schematisch die Ventilerhebungskurve A eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils bei Betrieb beider Turbinen der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine.
• Jede zuschaltbare Auslassöffnung ist mit einem derartigen Hubventil ausgestattet, welches die Auslassöffnung freigibt oder versperrt. Das zugeschaltete Hubventil bewegt sich zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Vollführung eines Ventilhubs Δh und gibt dabei die Auslassöffnung für eine vorliegend unveränderbare Öffnungsdauer Δt frei. Ebenfalls dargestellt ist die Ventilerhebungskurve E eines Einlassventils.
• 2b zeigt schematisch die Ventilerhebungskurven A des sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils beim Abschalten der ersten Turbine.
• Das verstellbare Hubventil ist ein sechsstufig verstellbares Hubventil, das sechs unterschiedliche Ventilhübe Δh₁, Δh₂, Δh₃, Δh₄, Δh₅, Δh₆ zulässt. Zum Abschalten der ersten Turbine wird der Ventilhub Δh sukzessive in fünf Schritten bis auf null verkleinert (siehe auch Doppelpfeil). Auf diese Weise wird die via zugeschalteter Auslassöffnung aus einem Zylinder abgeführte Abgasmenge, d. h. der Abgasvolumenstrom, beim Abschalten der ersten Turbine nach und nach vermindert und nicht schlagartig.
• 2c zeigt schematisch die Ventilerhebungskurve A eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils bei Betrieb einer Turbine der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine.
• Die zuschaltbaren Auslassöffnungen sind abgeschaltet, so dass die erste Turbine deaktiviert ist. Das sechsstufig verstellbare Hubventil wird nicht betätigt bzw. bewegt, so dass die zuschaltbaren Auslassöffnungen verschlossen bleiben.
• 2d zeigt schematisch die Ventilerhebungskurven eines sechsstufig im Ventilhub Δh verstellbaren Auslasshubventils beim Zuschalten der ersten Turbine der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine.
• Der Ventilhub Δh wird sukzessive in fünf Schritten vergrößert (siehe auch Doppelpfeil). Auf diese Weise wird die via zugeschalteter Auslassöffnung aus einem Zylinder abgeführte Abgasmenge, d. h. der Abgasvolumenstrom, beim Zuschalten der ersten Turbine nach und nach erhöht.
• Bezugszeichenliste

1

aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor

2

Zylinderkopf

3

Zylinder

4

Auslassöffnung

4a

zuschaltbare Auslassöffnung

4b

andere Auslassöffnung

5

Abgasabführsystem

5a

Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung

5b

Abgasleitung

6a

erster Abgaskrümmer

6b

zweiter Abgaskrümmer

7a

erste Gesamtabgasleitung

7b

zweite Gesamtabgasleitung

8

erster Abgasturbolader

8a

erste Turbine, zuschaltbare Turbine

8b

erster Verdichter

9

zweiter Abgasturbolader

9a

zweite Turbine

9b

zweiter Verdichter

10

Ladeluftkühler

11

Ansaugsystem

11a

erste separate Ansaugleitung

11b

zweite separate Ansaugleitung

12

Plenum

13a

erste Absperrelement

13b

zweites Absperrelement

14

Abblaseleitung

Δh

Ventilhub eines zuschaltbaren Auslassventils

Δt

Öffnungsdauer eines zuschaltbaren Auslassventils

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens drei Zylindern (3), bei der - jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4, 4a, 4b) zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslaßöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4, 4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (5) anschließt, - mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem (5) angeordnete Turbine (8a, 9a) umfasst, - die Abgasleitungen (5a) der zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) der mindestens drei Zylindern (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (7a) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, - die Abgasleitungen (5b) der anderen Auslassöffnungen (4b) der mindestens drei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, und - jede zuschaltbare Auslassöffnung (4a) mit einem im Hinblick auf den Ventilhub Δh verstellbaren Hubventil ausgestattet ist, welches die Auslassöffnung (4a) freigibt oder versperrt, wobei ein zugeschaltetes Hubventil sich zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs Δh bewegt und dabei die dazugehörige Auslassöffnung (4a) während einer Öffnungsdauer Δt freigibt, bei dem ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden Hubventile zugeschaltet und betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass - der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), bei der das verstellbare Hubventil ein stufig verstellbares Hubventil ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive und stufenweise vergrößert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), bei der das verstellbare Hubventil ein stufenlos verstellbares Hubventil ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub Δh der zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive und stufenlos vergrößert wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei der das verstellbare Hubventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer Δt verstellbares Hubventil ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (8a) bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge aktiviert wird, indem die Öffnungsdauer Δt der zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden verstellbaren Hubventile sukzessive vergrößert wird.

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