DE102016011491A1 - Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (14a), welchem ein Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) und Luft zuführbar sind, und mit dem Brennraum (14a) zugeordneten Gaswechselventilen zum Steuern des Ladungswechsels des Brennraums (14a), wobei eine von den Gaswechselventilen unterschiedliche Einleiteinrichtung (42) vorgesehen ist, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) bei geschlossenen Gaswechselventilen in den Brennraum (14a) direkt einleitbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine.
• Derartige Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf, welchem ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine und Luft zuführbar sind. Die Luft und der Kraftstoff bilden in dem Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches beispielsweise gezündet und verbrannt werden kann. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine dem Brennraum zugeordnete Gaswechselventile zum Steuern des Ladungswechsels des Brennraums. Als Ladungswechsel wird das Austauschen des Arbeitsmediums der Verbrennungskraftmaschine verstanden, wobei bei einer solchen Verbrennungskraftmaschine unter dem Ladungswechsel zu verstehen ist, dass das Abgas aus dem Brennraum abgeführt, insbesondere ausgeschoben, wird, woraufhin zumindest frische Luft in den Brennraum eingeleitet wird. Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Viertakt-Motor ausgebildet, so umfasst die Verbrennungskraftmaschine je Arbeitsspiel zwei Ladungswechseltakte, von denen ein erster Ladungswechseltakt das Ausschieben beziehungsweise der Ausschiebetakt und der zweite Ladungswechseltakt das Ansaugen beziehungsweise der Ansaugtakt ist.
• Darüber hinaus offenbart die DE 10 2005 001 757 A1 eine Brennkraftmaschine, deren Zylinder über jeweils ein einstellbares Bremsventil mit einem gemeinsamen Gasdruckbehälter verbunden sind, welcher über eine Abströmleitung mit einem Abströmventil mit dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Außerdem offenbart die DE 10 2012 207 904 A1 ein Verfahren zur Unterdrückung von vor einem Zündzeitpunkt auftretender Vorentflammung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
• Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist erfindungsgemäß eine von den Gaswechselventilen unterschiedliche Einleitrichtung vorgesehen, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine bei geschlossenen Gaswechselventilen in den Brennraum direkt einleitbar ist. Mit anderen Worten ist die von den Gaswechselventilen unterschiedliche Einleiteinrichtung dazu ausgebildet, Abgas der Verbrennungskraftmaschine direkt in den Brennraum einzuleiten, wenn die dem Brennraum zugeordneten Gaswechselventile geschlossen sind.
• Dabei umfasst die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise wenigstens einen von dem Brennraum unterschiedlichen, zusätzlich zu dem Brennraum vorgesehenen zweiten Brennraum, welchem der Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine und Luft zuführbar sind. Dabei umfasst die Einleiteinrichtung wenigstens einen Überströmungskanal, über welchen Abgas aus dem zweiten Brennraum in den ersten Brennraum direkt einleitbar ist beziehungsweise direkt eingeleitet werden kann, wenn beziehungsweise während die Gaswechselventile des ersten Brennraums geschlossen sind.
• Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, mit verbrennungsmotorischem Antrieb steigen das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von beispielsweise als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine weiter an, welche auch als Verbrennungsmotoren oder Motoren bezeichnet werden. Ermöglicht wird dies unter anderem durch die sogenannte Aufladung der beispielsweise mit einer Direkteinspritzung ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine, wobei die Aufladung beispielsweise mittels wenigstens eines Verdichters, insbesondere eines Abgasturboladers, erfolgen kann. Unter der Aufladung ist zu verstehen, dass die dem Brennraum zuzuführende Luft, welche auch als Verbrennungsluft bezeichnet wird, mittels des Verdichters verdichtet wird. Hierzu umfasst der Abgasturbolader beispielsweise den Verdichter und wenigstens eine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine, mittels welcher der Verdichter antreibbar ist.
• Darüber hinaus ist das Bestreben groß, das Verdichtungsverhältnis von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, möglichst hoch auszuführen, da das Verdichtungsverhältnis direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad des Motors hat. So ist ein Verdichtungsverhältnis ε von ε = 10:1 für einen aufgeladenen Reihen-Vier-Zylinder-Ottomotor mit einer spezifischen Leistung von 100 Kilowatt pro Liter Hubraum heute keine Seltenheit mehr. Mit steigenden Werten für das Verdichtungsverhältnis, das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung des Motors wächst der Bedarf wirkungsvoller Kühlungsmaßnahmen erheblich. Während ein hohes Verdichtungsverhältnis primär zu einem erhöhten Risiko für irreguläre Verbrennungen – die sogenannte klopfende Verbrennung oder Vorentflammung – führt, wächst beim heutigen Stand der Technik mit der Steigerung von spezifischem Drehmoment und spezifischer Leistung der Bedarf, eine deutlich größere Wärmemenge abzuführen.
• Aktuelle Ottomotoren beziehungsweise Verbrennungskraftmaschinen weisen üblicherweise wenigstens einen Ladeluftkühler auf, welcher von der verdichteten Verbrennungsluft, welche auch als Ladeluft bezeichnet wird, durchströmt wird und dieser damit Wärme entzieht. Dadurch wird die verdichtete und dadurch erwärmte Ladeluft gekühlt. Die mittels des Ladeluftkühlers der verdichteten Luft entzogene Wärme wird beispielsweise von dem als Wärmetauscher fungierenden Ladeluftkühler direkt an die Umgebung oder an ein den Ladeluftkühler durchströmendes Kühlmedium eines Niedertemperaturkreislaufs abgegeben. Es wird folglich zwischen der sogenannten direkten und der indirekten Ladeluftkühlung unterschieden. Diese Abkühlung der Luft, welche auch als Verbrennungsluft bezeichnet wird, reduziert das Risiko irregulärer Verbrennung und erlaubt damit eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses. Aufgrund des verfügbaren Bauraums und der übertragbaren Wärmemenge sind der Wärmeabfuhr mittels des Ladeluftkühlers jedoch Grenzen gesetzt.
• Die Überschreitung von bauteilspezifischen Grenztemperaturen bei hohen Lasten wird heute durch eine Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit Kraftstoff verhindert. Der zu Kühlungszwecken zusätzlich eingespritzte Kraftstoff führt aufgrund des Sauerstoffmangels zu einem erhöhten Schadstoffausstoß, der insbesondere durch zukünftige Abgasgesetzgebungen im Hinblick auf Real Driving Emissions (RDE) als kritisch zu bewerten ist. Einen heute bekannte Alternative stellt die Verwendung höherwertiger Wertstoffe oder den Einsatz optimierter Kühleinrichtungen auf der heißen Seite der Verbrennungskraftmaschine dar, wobei beispielsweise ein in den Zylinderkopf integrierter und von Kühlwasser umströmter Abgaskrümmer und/oder ein gekühltes Turbinengehäuse der Turbine des Abgasturboladers zum Einsatz kommen.
• Eine weitere, sehr effektive Möglichkeit zur Kühlung der Verbrennungsluft und zur Absenkung der Prozesstemperatur stellt die Einspritzung eines von dem Kraftstoff unterschiedlichen Kühlmediums in die verdichtete Verbrennungsluft dar. Durch diese, grundsätzlich bereits bekannte Maßnahme wird der Verbrennungsluft durch die hohe spezifische Wärmekapazität und die Verdampfung des Kühlmediums Wärme entzogen. Neben der Reduzierung des Risikos einer klopfenden Verbrennung kann darüber hinaus auf etwaige Vorentflammung reagiert oder dieser vorgebeugt werden. Insbesondere ist eine solche Betriebsstrategie denkbar, bei welcher das Kühlmedium in einem überstöchiometrischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in die Verbrennungsluft eingespritzt wird. Das Kühlmedium ist beispielsweise ein Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, oder das Kühlmedium umfasst wenigstens eine Kühlflüssigkeit, wobei es sich bei der Kühlflüssigkeit um Wasser handeln kann. Dabei ist es denkbar, das Wasser an Bord des Kraftfahrzeugs zu gewinnen, sodass das Kühlmedium nicht oder nicht übermäßig extern nachgefüllt werden muss. Zum Einbringen, insbesondere Einspritzen, des Kühlmediums in die Verbrennungsluft kommt üblicherweise eine Einspritzanlage zum Einsatz, welche beispielsweise als Wassereinspritzanlage ausgebildet ist. Alle derzeit bekannten Einspritzanlagen haben gemeinsam, dass dem Brennraum das Kühlmedium, insbesondere Wasser, zugeführt werden muss, wobei das Wasser negative Auswirkungen auf die Dauerhaltbarkeit vieler Komponenten der Verbrennungskraftmaschine haben kann. Des Weiteren kann Korrosion auftreten oder eine Verdünnung von Motoröl vorkommen, die weitere Folgeschäden nach sich ziehen kann. Darüber hinaus ist die Dauerhaltbarkeit von solchen Wassereinspritzanlagen für den Einsatz in Personenkraftwagen noch nicht nachgewiesen.
• Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der Prozesstemperatur, zur Einhaltung der Bauteilgrenztemperaturen und zur Reduzierung des Anreicherungsbedarfs bei hoher Motorlast ist die Rückführung von Abgas, wobei beispielsweise Abgas als Inertgas in den Brennraum eingeleitet wird. Bei der Rückführung von Abgas wird grundsätzlich zwischen interner und externer Abgasrückführung (AGR) entschieden. Die interne Abgasrückführung zeichnet sich dadurch aus, dass sie während des Ladungswechsels durch eine optimierte Ventilsteuerung erfolgt. Die externe Abgasrückführung zeichnet sich dadurch aus, dass Abgas in Durchströmungsrichtung der Verbrennungskraftmaschine nach dem Brennraum entnommen wird, wobei das entnommene Abgas stromauf des Brennraums beziehungsweise vor dem Brennraum in die Verbrennungsluft eingebracht wird. Ferner kann zwischen externer Niederdruck-AGR und externer Hochdruck-AGR unterschieden werden. Bei der Niederdruck-AGR wird das rückzuführende Abgas stromab beziehungsweise nach der Turbine entnommen. Bei der externen Hochdruck-AGR wird das rückzuführende Abgas stromauf beziehungsweise vor der Turbine entnommen.
• Unabhängig von der Art der Rückführung des Abgases wird das Abgas dem Brennraum während des Ladungswechsels bei entsprechendem Druckniveau zugeführt. Dies kann unterschiedliche negative Auswirkungen auf den Gesamtprozess haben:
• – die verdünnte Zylinderladung beziehungsweise Brennraumladung mit Inertgas erschwert den Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches;
• – heißes Restgas erhöht das Risiko irregulärer Verbrennung;
• – die Zylinderfüllung wird durch die Zufuhr des Inertgases während des Ladungswechsels begrenzt, was zu einer geringeren erreichbaren Last und damit geringem Drehmoment führt etc.
• Diese Probleme und Nachteile können mittels der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine vermieden werden, da mittels der zusätzlich zu den Gaswechselventilen vorgesehenen und von den Gaswechselventilen unterschiedlichen Einleiteinrichtung Abgas rückgeführt und direkt in den Brennraum eingeleitet werden kann, während die, insbesondere alle, Gaswechselventile des Brennraums geschlossen sind. Dadurch kann die Temperatur des Abgases durch eine Absenkung der Prozesstemperatur bei hoher Motorlast besonders gering gehalten beziehungsweise im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen reduziert werden.
• Die Einleiteinrichtung ermöglicht eine bedarfsgerechte Zufuhr von Abgas unter hohem Druck direkt in den Brennraum. Unter bedarfsgerecht ist insbesondere zu verstehen, dass die Zufuhr von Abgas in den Brennraum bevorzugt erfolgt, wenn die Verbrennungskraftmaschine im Bereich hoher Motorlast des Motorkennfelds betrieben wird und mindestens eine der bauteilspezifischen Temperaturen von abgasführenden Komponenten der Verbrennungskraftmaschine weniger als 100 Grad Kelvin unterhalb der entsprechenden Grenztemperatur liegt.
• Die Zufuhr des Abgases in den beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum erfolgt dabei nicht während des Ladungswechsels, sondern in einer Zeitspanne, in der die Gaswechselventile des Brennraums, insbesondere nach dem unteren Totpunkt des im Brennraum bewegbar aufgenommenen Kolbens, geschlossen sind und bevor die Verbrennung des im weiteren Verlauf verdichteten Gemischs begonnen hat.
• Die Abgaszufuhr führt zu einer Steigerung der Zylinderladungen, was in direkter Folge eine geringere Prozesstemperatur nach sich zieht, da die freigesetzte Wärmemenge einer größeren Zylinderladung zugeführt wird. Eine niedrigere Prozesstemperatur wiederum hat eine Reduzierung der Abgastemperatur zur Folge, sodass die Anreicherung durch Kraftstoff zu Kühlungszwecken reduziert oder idealerweise unterlassen werden kann, ohne dabei die bauteilspezifischen Grenztemperaturen einzelner abgasführender Komponenten zu überschreiten.
• Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine 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 Zeichnung zeigt in:
• 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform, mit einer Einleiteinrichtung, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine in wenigstens einen Brennraum direkt einleitbar ist, wenn dessen Gaswechselventile geschlossen sind;
• 2 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine; und
• 3 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
• In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, ist. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar.
• Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein beispielsweise als Zylindergehäuse ausgebildetes Motorgehäuse 12, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14a–d gebildet sind. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist dabei als Hubkolbenmaschine ausgebildet, wobei im jeweiligen Zylinder 14a–d ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der jeweilige Kolben ist in dem jeweiligen Zylinder 14a–d zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) translatorisch bewegbar. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine in 1 nicht erkennbare Abtriebswelle, welche beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildet und um eine Drehachse relativ zu dem Motorgehäuse 12 drehbar ist. Ferner ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als Vier-Takt-Motor ausgebildet, wobei ein Arbeitsspiel der Verbrennungskraftmaschine 10 genau zwei vollständige Umdrehungen der Abtriebswelle, das heißt 720 Grad Kurbelwinkel, umfasst. Während eines solchen Arbeitsspiels führen der jeweilige Zylinder 14a–d und somit der jeweils zugehörige Kolben vier Takte aus, wobei beispielsweise ein erster der Takte Ansaugen beziehungsweise ein Ansaugtakt, ein zweiter der Takte Verdichten, ein dritter der Takte Expandieren und der vierte Takt Ausschieben beziehungsweise ein Ausschiebe-Takt ist. Dabei sind das Ansaugen und das Ausschieben Ladungswechseltakte, in deren Rahmen der sogenannte Ladungswechsel des jeweiligen Zylinders 14a–d stattfindet. Als Ladungswechsel wird dabei das Austauschen des Arbeitsmediums des jeweiligen Zylinders 14a–d beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine 10 verstanden. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches in dem jeweiligen Zylinder 14a–d gebildet wird, indem dem jeweiligen Zylinder 14a–d Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt werden. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine 10 mittels des Kraftstoffes, insbesondere in einem gefeuerten Betrieb, betreibbar. Bei dem Kraftstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Kraftstoff wie beispielsweise um einen Ottokraftstoff oder um einen Dieselkraftstoff.
• Dem jeweiligen Zylinder 14a–d sind in 1 nicht erkennbare Gaswechselventile zugeordnet, wobei mittels der Gaswechselventile der Ladungswechsel des jeweiligen Zylinders 14a–d gesteuert beziehungsweise eingestellt wird. Dabei sind die Gaswechselventile zwischen jeweiligen Schließstellungen und jeweiligen Offenstellungen, insbesondere translatorisch, bewegbar, wobei die Gaswechselventile beispielsweise mittels jeweiliger Nockenwellen betätigt werden. Dem jeweiligen Zylinder 14a–d sind beispielsweise genau vier Gaswechselventile zugeordnet, von denen zwei als Einlassventile und zwei als Auslassventile ausgebildet sein können. Die Einlassventile steuern das Einströmend er Luft in den jeweiligen Zylinder 14a–d, wobei die Auslassventile das Ausströmen von Abgas aus dem jeweiligen Zylinder 14a–d steuern. Durch das Zuführen von Kraftstoff und Luft in den jeweiligen Zylinder 14a–d entsteht in dem jeweiligen Zylinder 14a–d ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches gezündet und in der Folge verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10.
• Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen von der Luft, welcher auch als Verbrennungsluft bezeichnet wird, durchströmbaren Ansaugtrakt 16, mittels welchem die Luft zu den und insbesondere in die Zylinder 14a–d geleitet wird. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 18, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14a–d abgeführt wird. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens einen Abgasturbolader 20, welcher eine in dem Abgastrakt 18 angeordnete Turbine 22 mit einem Turbinenrad 24 und einen in dem Ansaugtrakt 16 angeordneten Verdichter 26 mit einem Verdichterrad 28 umfasst. Ferner umfasst der Abgasturbolader 20 eine Welle 30, welche drehfest mit dem Turbinenrad 24 und dem Verdichterrad 28 verbunden ist. Das Turbinenrad 24 ist von dem Abgas antreibbar, wobei das Verdichterrad 28 über die Welle 30 von dem Turbinenrad 24 antreibbar ist. Durch das Antreiben des Verdichterrads 28 wird die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft mittels des Verdichters 26 verdichtet. Da die Turbine 22 von dem Abgas antreibbar ist, kann in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden. Dadurch können der Kraftstoffverbrauch und somit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders gering gehalten werden.
• In dem Ansaugtrakt 16 ist stromauf des Verdichters 26 ein Luftfilter 32 angeordnet, mittels welchem die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft gefiltert wird. Dabei saugt die Verbrennungskraftmaschine 10 über den Ansaugtrakt 16 die Luft, beispielsweise aus der Umgebung, an. In dem Abgastrakt 18 ist stromab der Turbine 22 wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 34 angeordnet, mittels welcher das Abgas nachbehandelt wird, bevor es an die Umgebung entlassen wird. Das Verdichten der Luft wird auch als Aufladung oder Aufladen bezeichnet, wobei die verdichtete Luft auch als Ladeluft bezeichnet wird. Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch hohe Aufladegrade realisieren zu können, ist in dem Ansaugtrakt 16 stromauf der Zylinder 14a–d und stromab des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 36 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt werden kann. Ferner ist in dem Ansaugtrakt 16, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 36, eine Drosselklappe 38 angeordnet, mittels welcher beispielsweise eine Menge der den Zylindern 14a–d zuzuführenden Luft und/oder ein Druck im Ansaugtrakt 16 einstellbar ist. Ferner ist jedem Zylinder 14a–d ein Injektor 40 zugeordnet, mittels welchem beispielsweise der Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder 14a–d eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt, werden kann.
• Um nun einen besonders effizienten und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren, umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine von den Gaswechselventilen unterschiedliche Einleiteinrichtung 42, mittels welcher zumindest ein Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 bei geschlossenen Gaswechselventilen in den jeweiligen Zylinder 14a–d eingeleitet werden kann. Der Übersichtlichkeit wegen werden die Funktionsweise der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 im Folgenden anhand des ersten Zylinders 14a und des zweiten Zylinders 14b erläutert, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zu den Zylindern 14a, b ohne Weiteres auch auf die anderen Zylinder 14c, d übertragen werden können und umgekehrt.
• Die Einleiteinrichtung 42 ist mit anderen Worten dazu ausgebildet, zumindest ein Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 in den Zylinder 14a beziehungsweise 14b direkt einzuleiten, während die, insbesondere alle, Gaswechselventile des jeweiligen Zylinders 14a beziehungsweise 14b geschlossen sind. Somit erfolgt ein Einleiten beziehungsweise eine Zufuhr von Abgas direkt in den jeweiligen Zylinder 14a beziehungsweise 14b nicht etwa während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders 14a beziehungsweise 14b, sondern mittels der Einleiteinrichtung 42 wird beispielsweise Abgas direkt in die jeweiligen Zylinder 14a beziehungsweise 14b eingeleitet, nachdem der jeweilige Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat. Insbesondere wird das Abgas in dem jeweiligen Zylinder 14a beziehungsweise 14b mittels der Einleiteinrichtung 42 direkt während des Verdichtens und dabei während die Gaswechselventile geschlossen sind, eingeleitet.
• 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Bei der ersten Ausführungsform umfasst die Einleiteinrichtung 42 wenigstens einen Überströmungskanal 44, über welchen beispielsweise Abgas aus dem zweiten Zylinder 14b direkt in den ersten Zylinder 14a eingeleitet werden kann beziehungsweise umgekehrt. Mit anderen Worten kann beispielsweise zumindest ein Teil des Abgases aus zumindest einem der Zylinder 14a–d über den Überströmungskanal 44 in zumindest einen anderen der Zylinder 14a–d direkt eingeleitet werden, während die, insbesondere alle, Gaswechselventile des anderen Zylinders geschlossen sind.
• Mit anderen Worten umfasst die Einleiteinrichtung 42 bei der ersten Ausführungsform mit dem Ziel einer Zufuhr von Restgas unter hohem Druck in den jeweiligen Zylinder 14a–d den auch als Überströmkanal bezeichneten Überströmungskanal 44. Ferner umfasst die Einleiteinrichtung 42 von den Gaswechselventilen unterschiedliche Ventile 46, wobei je Zylinder 14a–d ein Ventil 46 vorgesehen ist. Mittels des jeweiligen Ventils 46 wird das Aus- und Einströmen von Abgas, das heißt Restgas, aus dem und in den jeweiligen Zylinder 14a–d eingestellt, insbesondere gesteuert oder geregelt. Die Ventile 46 werden entsprechend der Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise entweder mittels einer der Nockenwellen zum Betätigen der Gaswechselventile oder mittels einer zusätzlichen Welle, insbesondere Nockenwelle, betätigt. Bei der ersten Ausführungsform kommt dem zum Zeitpunkt der Restgasentnahme im jeweiligen Zylinder 14a–d vorherrschende Zylinderdruck eine wichtige Bedeutung zu.
• 2 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 48 der Kurbelwinkel [°KW] aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 50 der Brennraumdruck insbesondere in der Einheit Bar [Bar] aufgetragen ist. In das Diagramm ist der Zylinderdruckverlauf 52 des jeweiligen Zylinders 14a–d eingetragen. Insbesondere zeigt das Diagramm in 2 den Zylinderdruckverlauf 52 eines Ottomotors bei hoher Last. Im Rahmen des Verfahrens ist es vorgesehen, die Entnahme des Restgases aus dem jeweiligen, als Spenderzylinder fungierenden Zylinder 14a–d während der Verbrennungsphase 54 nach Erreichen des Druckmaximums durchzuführen, um einen ausreichend hohen Druck im Überströmungskanal 44 der Verbrennungskraftmaschine 10 zu erreichen. Während des auch als Verdichtungstakt oder Verdichtungsphase bezeichneten Verdichtens 56 des gemäß der Zündfolge folgenden und beispielsweise als Nehmerzylinder fungierenden Zylinders 14a–d wird das Restgas in den Nehmerzylinder zu einem Zeitpunkt zugeführt, zu welchem der in dem Nehmerzylinder herrschende Brennraum- beziehungsweise Zylinderdruck geringer als der Druck des Restgases in dem Überströmungskanal 44 ist. Dies bedeutet, dass der Geberzylinder der Zylinder 14a–d ist, von dem Abgas entnommen und in den Überströmumgskanal 44 über das entsprechende Ventil 46 eingeleitet wird. Der Nehmerzylinder ist der Zylinder 14a–d, in den das in den Überströmungskanal 44 eingeleitete Abgas aus dem Überströmungskanal 44, insbesondere über das jeweilige Ventil 46, zugeführt wird.
• 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei die erste und zweite Ausführungsform miteinander kombiniert werden können. Bei der zweiten Ausführungsform umfasst die Einleiteinrichtung 42 einen Zufuhrkanal 58, welcher beispielsweise als der Überströmungskanal 44 ausgebildet sein kann. Der Zufuhrkanal 58 ist beispielsweise an einer stromab der Zylinder 14a–d angeordneten Stelle S fluidisch mit dem Abgastrakt 18 verbunden, sodass an der Stelle S zumindest ein Teil des den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 18 abgezweigt und somit entnommen und in den Zufuhrkanal 58 eingeleitet werden kann. Ferner umfasst die Einleiteinrichtung 42 einen in dem Zufuhrkanal 58 angeordneten Verdichter 60, mittels welchem das abgezweigte und den Zufuhrkanal 58 durchströmende Abgas verdichtet werden kann. Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt somit eine Abgasrückführung mittels eines zusätzlichen Kanals in Form des Zufuhrkanals 58. Die Entnahme des rückzuführenden und direkt in den jeweiligen Zylinder 14a–d einzuleitenden Abgases erfolgt an der Stelle S und somit in Durchströmungsrichtung des Abgases nach der Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise nach den Zylindern 14a–d, wobei die Stelle S stromauf oder stromab der Turbine 22 angeordnet sein kann.
• Das an der Stelle S abgezweigte Abgas wird mittels des Verdichters 60 auf einen hohen Druck verdichtet, wobei der Verdichter 60 zusätzlich zu dem Verdichter 26 des Abgasturboladers 20 vorgesehen ist. Über das jeweilige Ventil 46 kann das Abgas aus dem Zufuhrkanal 58 direkt in den jeweiligen Zylinder 14a–d unter hohem Druck eingeleitet werden. Dadurch kann eine bedarfsgerechte Zufuhr von Abgas, das heißt Restgas, in den jeweiligen Zylinder 14a–d realisiert werden. Beispielsweise ist der Verdichter 60 als Kolbenverdichter ausgebildet und arbeitet nach dem Verdrängerprinzip, wobei der Verdichter 60 beispielsweise dazu ausgebildet ist, das den Zufuhrkanal 58 durchströmende Abgas auf einen Druck von mindestens 50 Bar zu verdichten.
• Die Einleiteinrichtung 42 ermöglicht somit eine direkte Einführung beziehungsweise Rückführung von Abgas und somit Restgas in den jeweiligen Zylindern 14a–d. Eine solche direkte Rückführung von Abgas beziehungsweise Restgas ist bei hoher Motorlast sowie bei niedriger Motorlast möglich, dann beispielsweise mit einem anderen primären Ziel als der Senkung der Abgastemperatur.
• Zur Realisierung der im Zusammenhang mit 1 veranschaulichten beziehungsweise beschriebenen Überströmung von Abgas von Zylinder zu Zylinder bei der zweiten Ausführungsform ist es denkbar, dass der Verdichter 60 stillsteht und somit den beispielsweise als Überströmungskanal fungierenden Zufuhrkanal 58 in Richtung der Stelle S blockiert beziehungsweise fluidisch versperrt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in dem Zufuhrkanal 58 ein von dem Ventil 46 unterschiedliches Ventilelement angeordnet ist, mittels welchem der Zufuhrkanal 58 insbesondere zwischen dem Ventil 46 und der Stelle S fluidisch versperrbar ist. Dadurch ist es dann beispielsweise möglich, das Abgas aus dem Spenderzylinder über das zugehörige Ventil 46 in den als Überströmungskanal fungierenden Zufuhrkanal 58 einströmt und aus dem Zufuhrkanal 58 in den Nehmerzylinder über dessen Ventil 46 direkt anströmt.
• Das Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 und die zum Einsatz kommende Einleiteinrichtung 42 ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen die Absenkung der Prozesstemperatur bei hoher Motorlast und haben damit eine Reduzierung der Abgastemperatur bei Motoren mit hoher spezifischer Leistung zur Folge. Der sich daraus ergebende, primäre Vorteil ist der sinkende oder entfallende Bedarf zur Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit Kraftstoff aus Bauteilschutzgründen. Das hat eine signifikante Reduzierung der Schadstoffemissionen sowie des Kraftstoffverbrauchs – und somit der CO₂-Emissionen – zur Folge. Darüber hinaus können Verbrennungskraftmaschinen mit weiter gesteigerter spezifischer Leistung entwickelt und damit das Downsizing zur Senkung der CO₂-Emissionen fortgesetzt werden. Ferner sind folgende Vorteile realisierbar:
• – geringerer Wärmeeintrag in das Motorkühlwasser, was zu einer Entlastung des Kühlsystems führen kann
• – das Verfahren ist weniger anfällig bezüglich inhomogener Verteilung des Restgases innerhalb der Zylinder 14a–d als bisher bekannte Verfahren mit Abgasrückführung
• – Turbulenzsteigerung und damit Verbesserung der Entflammungsbedingungen durch Einbringen des Restgases unter hohem Druck
• – Reduzierung beziehungsweise Entfall der Kraftstoffanreicherung zum Bauteilschutz bei hohen Lasten und damit Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
• – Reduzierung der Schadstoffemissionen (RDE)
• – Potenzial zum weiteren Downsizing zur Senkung der CO₂-Emissionen.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Zylindergehäuse

14a–d

Zylinder

16

Ansaugtrakt

18

Abgastrakt

20

Abgasturbolader

22

Turbine

24

Turbinenrad

26

Verdichter

28

Verdichterrad

30

Welle

32

Luftfilter

34

Abgasnachbehandlungseinrichtung

36

Ladeluftkühler

38

Drosselklappe

40

Injektor

42

Einleiteinrichtung

44

Überströmungskanal

46

Ventil

48

Abszisse

50

Ordinate

52

Zylinderdruckverlauf

54

Verbrennungsphase

56

Verdichten

58

Zufuhrkanal

60

Verdichter

S

Stelle

• 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 102005001757 A1 [0003]
• DE 102012207904 A1 [0003]

Claims (5)

1. Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (14a), welchem ein Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) und Luft zuführbar sind, und mit dem Brennraum (14a) zugeordneten Gaswechselventilen zum Steuern des Ladungswechsels des Brennraums (14a), dadurch gekennzeichnet, dass eine von den Gaswechselventilen unterschiedliche Einleiteinrichtung (42) vorgesehen ist, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) bei geschlossenen Gaswechselventilen in den Brennraum (14a) direkt einleitbar ist.
2. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) wenigstens einen von dem Brennraum (14a) unterschiedlichen, zweiten Brennraum (14b) aufweist, welchem der Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) und Luft zuführbar sind, wobei die Einleiteinrichtung (42) wenigstens einen Überströmungskanal (44) aufweist, über welchen Abgas aus dem zweiten Brennraum (14b) bei geschlossenen Gaswechselventilen des ersten Brennraums (14a) in den ersten Brennraum (14a) direkt einleitbar ist.
3. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleiteinrichtung (42) wenigstens ein Ventilelement (46) zum Einstellen einer Menge des direkt in den Brennraum (14a) einzuleitenden Abgases umfasst,
4. Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleiteinrichtung (42) wenigstens einen Verdichter (60) zum Verdichten des in den Brennraum (14a) direkt einzuleitenden Abgases umfasst.
5. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Images