DE102016013968A1

DE102016013968A1 - Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016013968A1
Application number: DE102016013968.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Altenschmidt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors (10) in einem Magerbetrieb, bei welchem der wenigstens einen Zylinder (14), wenigstens ein dem Zylinder (14) zugeordnetes Einlassventil (40) und wenigstens einen in dem Zylinder (14) translatorisch zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar aufgenommenen Kolben (38) umfassende Ottomotor (10) mit einem überstöchiömetrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben und eine interne Abgasrückführung durchgeführt wird, wobei das Einlassventil (40) im Ansaugtakt derart geschlossen wird, dass das Einlassventil (40) geschlossen ist, bevor der Kolben (38) seinen zu dem Ansaugtakt gehörenden unteren Totpunkt (UT) erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solches Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors in einem Magerbetrieb ist beispielsweise bereits der DE 10 2010 011 681 A1 als bekannt zu entnehmen. Dabei weist der Ottomotor wenigstens einen als Zylinder ausgebildeten Brennraum, wenigstens ein dem Zylinder zugeordnetes Einlassventil und wenigstens einen im Zylinder aufgenommenen Kolben auf, welcher translatorisch zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in dem Zylinder bewegbar ist. Bei dem Verfahren wird der Ottomotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und somit in dem zuvor genannten Magerbetrieb betrieben. Das Verbrennungsluftverhältnis wird üblicherweise auch als λ (Lambda) bezeichnet, wobei bei überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis beziehungsweise im Magerbetrieb gilt: λ> 1.
Ferner wird bei dem Verfahren eine interne Abgasrückführung durchgeführt. Die interne Abgasrückführung wird insbesondere durch eine Ventilüberschneidung bewirkt. Im Rahmen dieser Ventilüberschneidung sind das Einlassventil und wenigstens ein dem Zylinder zugeordnetes Auslassventil zumindest vorübergehend gleichzeitig geöffnet, sodass mittels der Kolbens, insbesondere auf seinem Weg in den unteren Totpunkt (UT), Abgas aus einem Abgastrakt des Ottomotors zurück in den Zylinder eingesaugt wird.
Außerdem offenbart die DE 10 2006 032 719 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors, bei welchem mindestens ein Einlassventil des Ottomotors sehr früh oder sehr spät geschlossen wird, wobei ein dem Ottomotor zugeführter Verbrennungsluftstrom mittels eines Laders verdichtet wird. Ferner ist es vorgesehen, dass dem Verbrennungsluftstrom zumindest bei Volllast ein Teilstrom von rückgeführtem Abgas als Abgasrückführung zugeführt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb des Ottomotors realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb, das heißt ein besonders emissionsarmer Magerbetrieb, des Ottomotors realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Einlassventil im Ansaugtakt des Ottomotors derart geschlossen wird, dass das Einlassventil geschlossen ist, bevor der Kolben seinen zu dem Ansaugtakt gehörenden unteren Totpunkt erreicht. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Einlassventil im Ansaugtakt vor dem zum Ansaugtakt gehörenden unteren Totpunkt (UT) des Kolbens, das heißt bevor der sich in dem Ansaugtakt in Richtung des unteren Totpunkts bewegende Kolben seinen zum Ansaugtakt gehörenden unteren Totpunkt erreicht hat, geschlossen ist. Dadurch wird, insbesondere vor dem auf den Ansaugtakt folgenden Verdichtungstakt, eine Zwischenexpansion eines im Zylinder enthaltenen Gases realisiert, welches im Rahmen des Ansaugtakts mittels des Kolbens in den Zylinder angesaugt beziehungsweise eingesaugt wird beziehungsweise wurde.
Das Gas umfasst zumindest Luft, welche beispielsweise mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, zum Betreiben des Ottomotors ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches im Verdichtungstakt verdichtet wird, bilden kann. Insbesondere umfasst das Gas die zuvor genannte Luft und Abgas, welches im Rahmen der internen Abgasrückführung in den Zylinder eingebracht, insbesondere eingesaugt wurde, beziehungsweise wird. Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrens, welches insbesondere während eines befeuerten oder gefeuerten Betriebs des Ottomotors durchgeführt wird, können die Emissionen, insbesondere die Rohemissionen, und dabei insbesondere die Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) des Ottomotors besonders gering gehalten werden. Während des zuvor genannten gefeuerten Betriebs laufen in dem Zylinder Verbrennungsvorgänge ab, sodass bei einem jeweiligen Arbeitsspiel des Ottomotors ein jeweiliges Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Zylinder verbrannt wird.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Üblicherweise kommt bei einem Ottomotor wenigstens ein Drei-Wege-Katalysator als Abgasnachbehandlungseinrichtung zum Einsatz. Wird der Ottomotor beispielsweise mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben, so können mittels des Drei-Wege-Katalysators im Abgas etwaig enthaltene, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie etwaig im Abgas enthaltenes Kohlenmonoxid (CO) oxidiert werden. Ferner können mittels des Drei-Wege-Katalysators im Abgas etwaige enthaltene Stickoxide reduziert werden.
Um nun den Kraftstoffverbrauch des Ottomotors besonders gering halten zu können, wird der Ottomotor, insbesondere im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und somit in einem Magerbetrieb betrieben. Im Magerbetrieb kann der Drei-Wege-Katalysator nicht eingesetzt werden, sodass der innermotorischen Vermeidung von Stickoxiden (NOx) eine große Bedeutung zukommt, um beispielsweise die Größe von NOx-Speicherkatalysatoren möglichst gering zu halten. Dies bedeutet, dass bei einem Ottomotor, welcher im Magerbetrieb betrieben wird, üblicherweise ein Stickoxid-Speicherkatalysator (NOx-Speicherkatalysator) zum Einsatz kommt, um in dem Stickoxid-Speicherkatalysator etwaig im Abgas enthaltene Stickoxide zu speichern. Je geringer der Anteil an im Abgas enthaltenen Stickoxiden ist, desto kleiner und somit bauraumgünstiger kann der Stickoxid-Speicherkatalysator ausgestaltet werden. Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, die Stickoxid-Emissionen, insbesondere die Stickoxid-Rohemissionen, des Ottomotors im Magerbetrieb besonders gering zu halten, sodass auch ein etwaig zum Einsatz kommender Stickoxid-Speicherkatalysator besonders klein und somit bauraum- und gewichtsgünstig ausgestaltet werden kann.
Das mittels der internen Abgasrückführung in den Zylinder eingebrachte, insbesondere eingesaugte, Abgas kann, insbesondere bei einer auf den Ansaugtakt folgenden Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, als Restgas bzw. Inertgas wirken, wobei mittels des Restgases in dem Magerbetrieb die Sauerstoff-Konzentration (O₂-Konzentartion) im Zylinder besonders gering gehalten werden kann. Hierdurch kann die Entstehung von Stickoxiden deutlich verringert werden. Ferner kann durch die zuvor beschriebene Zwischenexpansion die Temperatur im Zylinder gering gehalten werden, wodurch die Entstehung von Stickoxiden-Rohemissionen verringert werden kann.
Die interne Abgasrückführung wird beispielsweise mittels einer Ventilüberschneidung durchgeführt. Im Rahmen der Ventilüberschneidung sind das Einlassventil und wenigstens ein dem Zylinder zugeordnetes Auslassventil zumindest vorübergehend gleichzeitig geöffnet, sodass in dem Ansaugtakt mittels des Kolbens auf dessen Weg in Richtung des unteren Totpunkts Abgas aus einem Abgastrakt des Ottomotors zurück in den Zylinder gesaugt wird. Eine in den Zylinder mittels der internen Abgasrückführung eingebracht Menge des als Restgas wirkenden Abgases wird auch als Restgasrate bezeichnet. Eine besonders hohe Restgasrate lässt sich mittels einer besonders großen Ventilüberschneidung realisieren, sodass das Auslassventil beispielsweise während eines besonders großen Teils einer Zeitspanne, während welcher sich der Kolben im Rahmen des Ansaugtakts in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt, geöffnet ist.
Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die interne Abgasrückführung durchgeführt wird, kann eine externe Abgasrückführung vermieden werden, sodass es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, die Stickoxid-Emissionen, insbesondere die Stickoxid-Rohemissionen, im Magerbetrieb ohne den Einsatz einer externen Abgasrückführung (AGR) gering zu halten. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass dadurch, dass im Rahmen der internen Abgasrückführung heißes Abgas über das geöffnete Auslassventil in den Zylinder eingesaugt wird, eine hohe Temperatur im Zylinder entsteht. Dieser hohen Temperatur, insbesondere des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wird dadurch entgegengewirkt, dass das Einlassventil einen besonders frühen Einlass-Schluss aufweist. Durch die oben beschriebene, durch das frühe Schließen des Einlassventils realisierte Zwischenexpansion wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch beziehungsweise das im Zylinder enthaltene Gas gekühlt, sodass die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches trotz des Durchführens der internen Abgasrückführung gering gehalten werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung führt das Einlassventil bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors wenigstens einen Ventilhub aus, welcher in einem Bereich von einschließlich zwei Millimeter bis einschließlich neun Millimeter liegt. Insbesondere führt der Ottomotor während des Magerbetriebs eine Vielzahl an Arbeitsspielen aus, wobei das Einlassventil während des jeweiligen Arbeitsspiels wenigstens einen Ventilhub ausführt. Im Rahmen der Ausführung des Ventilhubs wird das Einlassventil beispielsweise aus einer Schließstellung in eine Offenstellung bewegt. Bei Ausführung des Ventilhubs wird somit das Einlassventil um einen Weg aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt und somit aus der Schließstellung herausbewegt, wobei der Weg dem Ventilhub entspricht. Durch die beschriebene Ausgestaltung des Ventilhubs kann ein emissionsarmer Betrieb realisiert werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilhub eine Breite beziehungsweise eine Dauer aufweist, die einem Bereich von einschließlich 30Grad Kurbelwinkel (° Kurbelwinkel) bis einschließlich 160° Kurbelwinkel (°KW) liegt.
Der Ottomotor ist dabei beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildet, welche eine beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle aufweist. Die Abtriebswelle ist an einem Gehäuseelement des Ottomotors um eine Drehachse relativ zum Gehäuseelement drehbar gelagert. Wie hinlänglich bekannt ist, kann der Ventilhub auf die Drehung der Abtriebswelle und somit auf jeweilige Drehstellungen und somit Kurbelwinkel der Abtriebswelle bezogen werden, um dadurch sowohl Zeitpunkte, zu denen das Einlassventil geöffnet und geschlossen wird, als auch Zeitspannen, während welchen das Einlassventil geöffnet beziehungsweise geschlossen ist, auf die Drehung der Abtriebswelle und somit auf deren Drehstellungen (Kurbelwinkel) zu beziehen. Die Zeitspanne, während welcher das Einlassventil geöffnet ist, liegt somit beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 30° Kurbelwinkel bis einschließlich 160° Kurbelwinkel, sodass sich ein besonders emissionsarmer Betrieb realisieren lässt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Einlassventil bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors wenigstens einen Ventilhub mit einer Hubkurve ausführt, die zumindest ein Plateau aufweist. Unter einem solchen Plateau der Hubkurve ist zu verstehen, dass das während des Plateaus das Einlassventil in seiner zu dem Plateau gehörenden Offenstellung verbleibt, sodass das Einlassventil während des Plateaus geöffnet ist und in seiner durch das Plateau eingestellten Offenstellung verbleibt beziehungsweise stillsteht und nicht etwa in Richtung seiner Schließstellung bewegt oder weiter geöffnet wird. Es wurde gefunden, dass sich durch ein solches Plateau ein besonders emissionsarmer und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisieren lässt.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Plateau eine Dauer beziehungsweise Breite aufweist, die in einem Bereich von einschließlich 10° Kurbelwinkel bis einschließlich 60° Kurbelwinkel liegt.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Einlassventil während des Plateaus der Hubkurve eine Offenstellung einnimmt, in welcher das Ventil aus seiner Schließstellung um einen Öffnungsweg heraus bewegt ist, der in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt. Mit anderen Worten weist das Plateau eine Höhe auf, die in einem Bereich von einschließlich 0,5 Millimeter bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt, sodass das Einlassventil während des Plateaus im Vergleich zur Schließstellung des Einlassventils um den zuvor genannten Öffnungsweg geöffnet ist, welcher in einem Bereich von einschließlich 0,5 Millimeter bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Zylinder wenigstens ein Auslassventil beziehungsweise das zuvor genannte Auslassventil zugeordnet. Dabei hat es sich zur Realisierung eines besonders effizienten und emissionsarmen Betriebs als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Auslassventil bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors wenigstens einen Ventilhub ausführt, welcher in einem Bereich von einschließlich 5 Millimeter bis einschließlich 11 Millimeter liegt. Bei dem Arbeitsspiel, bei welchem das Auslassventil entsprechend bewegt wird und somit seinen Ventilhub ausführt, handelt es sich vorzugsweise um das zuvor genannte Arbeitsspiel, bei welchem das Einlassventil auf die entsprechende Weise bewegt wird. Somit führen das Einlassventil und das Auslassventil den jeweiligen Ventilhub vorzugsweise innerhalb desselben Arbeitsspiels beziehungsweise innerhalb derselben Arbeitsspiele aus.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung führt das Auslassventil bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors wenigstens einen Ventilhub aus, welcher eine Dauer beziehungsweise Breite aufweist, die in einem Bereich von einschließlich 70° Kurbelwinkel bis einschließlich 200° Kurbelwinkel liegt. Hierdurch können die Stickoxid-Emissionen, insbesondere die Stickoxid-Rohemissionen, besonders gering gehalten werden.
Schließlich hat es sich zur Realisierung eines besonders emissionsarmen und effizienten Betriebs des Ottomotors als vorteilhaft gezeigt, wenn das Auslassventil bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors wenigstens einen Ventilhub mit einer Hubkurve ausführt, die zumindest ein Plateau aufweist. Dabei weist das Plateau beispielsweise eine Breite auf, die in einem Bereich von einschließlich 10° Kurbelwinkel bis einschließlich 60° Kurbelwinkel liegt. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Auslassventil während des Plateaus der Hubkurve eine Offenstellung einnimmt, in welcher das Auslassventil aus seiner Schließstellung um einen Öffnungsweg heraus bewegt ist, der in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt. Wie bereits bezüglich des Einlassventils und dessen Hubkurve geschildert, ist es während des Plateaus der Hubkurve des Auslassventils vorgesehen, dass während des Plateaus der Hubkurve des Auslassventils das Auslassventil in seiner Offenstellung verbleibt beziehungsweise geöffnet verbleibt und somit während des Plateaus nicht etwa in Richtung der Schließstellung bewegt sowie nicht weiter geöffnet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Ottomotors, welcher im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben des Ottomotors in einem Magerbetrieb betrieben wird, wobei ein Einlassventil eines Zylinders des Ottomotors derart geschlossen wird, dass das Einlassventil geschlossen ist, bevor ein in dem Zylinder bewegbar aufgenommener Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht;
2 Hubkurven des Einlassventils und eines dem Zylinder zugeordneten Auslassventils einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Ottomotors; und
3 Hubkurven des Einlassventils und des Auslassventils gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine als Ottomotor 10 ausgebildete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, welches beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet und mittels des Ottomotors 10 antreibbar ist. Im Folgenden wird anhand von 1 bis 3 ein Verfahren zum Betreiben des Ottomotors 10 in einem Magerbetrieb beschrieben, wobei der Ottomotor 10 während des Magerbetriebs in einem befeuerten oder gefeuerten Betrieb betrieben wird. Der Ottomotor 10 umfasst ein beispielsweise als Kurbelgehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Gehäuseelement 12, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14 gebildet sind. Ferner umfasst der Ottomotor 10 eine als Kurbelwelle 16 ausgebildete Abtriebswelle, welche an dem Gehäuseelement 12 um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement 12 drehbar gelagert ist. Während des gefeuerten Betriebs laufen in dem jeweiligen Zylinder 14 Verbrennungsvorgänge ab, in deren Rahmen ein jeweiliges Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder 14 verbrannt wird.
Hierzu werden dem jeweiligen Zylinder 14 Luft und ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben des Ottomotors 10 zugeführt. Der Ottomotor 10 umfasst einen von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 18, mittels welchem die Luft zu den und insbesondere in die Zylinder 14 geleitet wird. Den Zylindern 14 ist jeweils wenigstens ein Einlasskanal 20 zugeordnet, welcher beispielsweise durch einen mit dem Gehäuseelement 12 verbundenen und in 1 nicht näher dargestellten Zylinderkopf des Ottomotors 10 gebildet ist. Die Luft kann den jeweiligen Einlasskanal 20 durchströmen und dabei aus dem Einlasskanal 20 aus- und in den jeweiligen Zylinder 14 einströmen. Der Kraftstoff wird beispielsweise in den Zylinder 14 eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt.
Ferner ist dem jeweiligen Zylinder 14 wenigstens ein beispielsweise durch den Zylinderkopf gebildeter Auslasskanal 22 zugeordnet, mittels welchem Abgas, welches aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches resultiert, aus dem Zylinder 14 abgeführt werden kann. Dabei umfasst der Ottomotor 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 24, zu welchem beispielsweise die Auslasskanäle 22 gehören.
Außerdem umfasst der Ottomotor 10 wenigstens einen Abgasturbolader 26, welcher eine in dem Abgastrakt 24 angeordnete und von dem Abgas antreibbare Turbine 28 und einen in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten und von der Turbine 28 antreibbaren Verdichter 30 aufweist. Durch Antreiben des Verdichters 30 wird die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft mittels des Verdichters 30 verdichtet. Da dabei der Verdichter 30 von der Turbine 28 und die Turbine 28 von dem Abgas angetrieben wird, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden. In Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft ist stromauf des Verdichters 30 ein Luftfilter 32 angeordnet, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft gefiltert wird.
In Strömungsrichtung des den Abgastrakt 24 durchströmenden Abgases ist stromab der Turbine 28 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 34 angeordnet, mittels welcher das Abgas nachbehandelt wird.
Da der Ottomotor 10 während des gefeuerten Betriebs in dem genannten Magerbetrieb betrieben wird, wird der Ottomotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ) betrieben. Somit gilt während des Magerbetriebs: λ > 1. Daher umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 34 beispielsweise wenigstens einen Stickoxid-Speicherkatalysator 36, welcher auch als NOx-Speicherkatalysator bezeichnet wird. Mittels des Stickoxid-Speicherkatalysators 36 können etwaig im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) gespeichert und somit aufgefangen und rückgehalten werden.
Ferner ist aus 1 erkennbar, dass in dem jeweiligen Zylinder 14 ein Kolben 38 translatorisch bewegbar aufgenommen ist, sodass der jeweilige Kolben 38 relativ zu dem Gehäuseelement 12 translatorisch zwischen einem jeweiligen unteren Totpunkt (UT) und einem jeweiligen oberen Totpunkt (OT) bewegbar ist. Der jeweilige Kolben 38 ist über ein jeweiliges Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle 16 verbunden, sodass die jeweiligen translatorischen Bewegungen des jeweiligen Kolbens 38 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um ihre Drehachse umgewandelt werden. Während des Magerbetriebs führt der Ottomotor 10 eine Vielzahl an Arbeitsspielen aus. Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird wenigstens ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem jeweiligen Zylinder 14 verbrannt. Ferner ist der Ottomotor 10 beispielsweise als Vier-Takt-Motor ausgebildet, wobei das jeweilige Arbeitsspiel genau zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle 16, das heißt 720° Kurbelwinkel der Kurbelwelle 16 umfasst.
Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels bewegt sich der Kolben 38 genau zweimal in seinen unteren Totpunkt und genau zweimal in seinen oberen Totpunkt. Das jeweilige Arbeitsspiel umfasst dabei vier Takte. Ein erster der Takte ist ein Ansaugtakt, in dessen Rahmen sich der Kolben 38 in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt. Dadurch wird in dem Ansaugtakt mittels des Kolbens 38 zumindest die Luft in den jeweiligen Zylinder 14 eingesaugt. Insbesondere wird in dem Ansaugtakt ein zumindest Luft umfassendes Gas in den Zylinder 14 eingesaugt. Ein zweiter der Takte ist ein sich an den Ansaugtakt anschließender Verdichtungstakt, in dessen Rahmen sich der Kolben 38 in seinen oberen Totpunkt bewegt. Im Rahmen des Verdichtungstakts wird das in dem Zylinder 14 aufgenommene Gas, insbesondere das Kraftstoff-Luft-Gemisch, verdichtet. Dabei kann das Gas zusätzlich zu der Luft Abgas des Ottomotors 10 umfassen, wobei eine im Folgenden noch genauer erläuterte interne Abgasrückführung durchgeführt wird
Ein dritter der Takte ist ein sich an den Verdichtungstakt anschließender Arbeitstakt, in dessen Rahmen des Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt und dadurch expandiert wird. Dadurch wird der Kolben 38 angetrieben und in seinen unteren Totpunkt bewegt, wodurch die Kurbelwelle 16 angetrieben wird. Der vierte Takt ist ein sich an den Arbeitstakt anschließender Ausschiebetakt, in dessen Rahmen sich der Kolben 38 wieder in seinen oberen Totpunkt bewegt. Dadurch wird das aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs resultierende und somit das im Rahmen des Arbeitstakt entstehende Abgas mittels des Kolbens 38 aus dem Zylinder 14 in den Abgastrakt 24 ausgeschoben.
Bei dem Verfahren und somit während des Magerbetriebs wird - wie zuvor angedeutet - eine interne Abgasrückführung (interne AGR) durchgeführt. Im Rahmen der internen Abgasrückführung wird, insbesondere in dem jeweiligen Ansaugtakt, zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt 24 mittels des Kolbens 38 auf dessen Weg in seinen unteren Totpunkt zurück in den jeweiligen Zylinder eingesaugt, wodurch das in den Zylinder 14 eingesaugte Abgas als Inertgas oder Restgas in dem Zylinder 14 aufgenommen ist.
Dem jeweiligen Einlasskanal 20 ist ein als Einlassventil 40 ausgebildetes Gaswechselventil zugeordnet, welches zwischen wenigstens einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch und/oder relativ zu dem Zylinderkopf, bewegbar ist. In der Schließstellung versperrt das jeweilige Einlassventil 40 den jeweils zugehörigen Einlasskanal 20, sodass keine Luft aus dem Einlasskanal 20 in den Zylinder 14 einströmen kann. In der Offenstellung jedoch gibt das jeweilige Einlassventil 40 den jeweils zugehörigen Einlasskanal 20 frei, sodass dann Luft aus dem Einlasskanal 20 in den Zylinder 14 einströmen kann. Somit ist das jeweilige Einlassventil 40 dem jeweiligen Zylinder 14 zugeordnet.
Des Weiteren ist dem jeweiligen Auslasskanal 22 ein als Auslassventil 42 ausgebildetes Gaswechselventil zugeordnet, sodass das jeweilige Auslassventil 42 dem jeweiligen Zylinder 14 zugeordnet ist. Das jeweilige Auslassventil 42 ist zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch und/oder vorzugsweise relativ zu dem Zylinderkopf, bewegbar. In der Schließstellung versperrt das jeweilige Auslassventil 42 den zugehörigen Auslasskanal 22, sodass kein Gas aus dem Zylinder 14 in den Auslasskanal 22 einströmen kann. In der Offenstellung jedoch gibt das jeweilige Auslassventil 42 den jeweils zugehörigen Auslasskanal 22 frei, sodass dann Gas, insbesondere Abgas, aus dem jeweiligen Zylinder 14 in den jeweiligen Auslasskanal 22 und somit in den Abgastrakt 24 einströmen kann.
Die zuvor genannte interne Abgasrückführung wird beispielsweise mittels einer Ventilüberschneidung bewirkt. Im Rahmen der Ventilüberschneidung sind das jeweilige Einlassventil 40 und das jeweilige Auslassventil 42 zumindest vorübergehend gleichzeitig geöffnet, sodass in dem Ansaugtakt mittels des Kolbens 38 nicht nur Luft über den Einlasskanal 20, sondern auch zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt 24 über den jeweiligen Auslasskanal 22 in den Zylinder 14 eingesaugt wird.
Um nun die Stickoxid-Emissionen, insbesondere die Stickoxid-Rohemissionen, des Ottomotors 10 besonders gering halten und somit einen besondere emissionsarmen Betrieb des Ottomotors 10 realisieren zu können, ist es im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben des Ottomotors 10 vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels das jeweilige Einlassventil 40 im jeweiligen Ansaugtakt derart geschlossen wird, dass das jeweilige Einlassventil 40 geschlossen ist, bevor der jeweilige Kolben 38 seinen zu dem Ansaugtakt gehörenden unteren Totpunkt erreicht. Dadurch wird das im jeweiligen Zylinder 14 enthaltene und beispielsweise die eingesaugte Luft und das rückgesaugte Abgas enthaltene Gas, insbesondere vor dem sich an den Ansaugtakt anschließenden Verdichtungstakt, expandiert beziehungsweise zwischenexpandiert, sodass die Temperatur des Gases trotz der Durchführung der internen Abgasrückführung besonders gering gehalten werden kann. Darüber hinaus kann der Kraftstoffverbrauch des Ottomotors 10 besonders gering gehalten werden, da der Ottomotor in dem Magerbetrieb betrieben wird.
2 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Ottomotors 10, wobei 3 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zeigt. Wie aus 2 und 3 erkennbar ist, führt das Einlassventil 40 bei dem jeweiligen Arbeitsspiel einen Ventilhub mit einer Hubkurve 44 aus. Da die Hubkurve 44 die Hubkurve des Einlassventils 40 ist, wird die Hubkurve 44 auch als Einlass-Hubkurve bezeichnet. Ferner führt das Auslassventil 42 bei dem jeweiligen Arbeitsspiel beziehungsweise innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels einen Ventilhub mit einer in 2 und 3 ausschnittsweise erkennbaren Hubkurve 46 aus. Da die Hubkurve 46 zu dem jeweiligen Auslassventil 42 gehört, wir die Hubkurve 46 auch als Auslass-Hubkurve bezeichnet.
Ein Öffnungszeitpunkt, zu welchem das Öffnen des Einlassventils 40 begonnen wird, ist in 2 mit EÖ bezeichnet. Der Öffnungszeitpunkt EÖ wird auch als Einlass-öffnet bezeichnet. Ein Schließzeitpunkt, zu welchem das Einlassventil 40 geschlossen ist und somit das Öffnen des Einlassventils 40 beendet wird beziehungsweise endet, ist in 2 mit ES bezeichnet. Der Schließzeitpunkt ES wird auch als Einlass-schließt bezeichnet. Die Hubkurve 44 erstreckt sich somit von dem Öffnungszeitpunkt EÖ zu dem Schließzeitpunkt ES. Ferner ist in 2 ein Schließzeitpunkt, zu welchem das Auslassventil 42 geschlossen ist und somit ein Öffnen des Auslassventils 42 endet beziehungsweise beendet wird, mit AS bezeichnet, sodass der Schließzeitpunkt AS auch als Auslass-schließt bezeichnet. Zur Realisierung dieser Zwischenexpansion ist im Vergleich zu herkömmlichen Ottomotoren eine reduzierte Öffnungsdauer des Einlassventils 40 und somit ein frühes Einlass-schließt (ES) vorgesehen, ähnlich wie in dem Miller-Zyklus.
Außerdem ist in 2 und 3 der zu dem Ausschiebetakt gehörende obere Totpunkt des Kolbens 38 mit OT bezeichnet. Aus 2 ist erkennbar, dass der Schließzeitpunkt AS später als der Öffnungszeitpunkt EÖ ist. Ferner liegt der Öffnungszeitpunkt EÖ vor dem oberen Totpunkt OT, wobei der Schließzeitpunkt AS nach dem oberen Totpunkt OT liegt. Dadurch ist eine solche Ventilüberschneidung eingestellt, mittels welcher die interne Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Zumindest während eines Teils des sich an den Ausschiebetakt anschließenden Ansaugtakts sind sowohl das Einlassventil 40 als auch das Auslassventil 42 geöffnet, sodass in dem Ansaugtakt zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt 24 über das geöffnete Auslassventil 42 mittels des Kolbens 38 in den Zylinder 14 gesaugt wird. Ferner ist es vorgesehen, dass der Schließzeitpunkt ES vor dem in 2 mit UT bezeichneten unteren Totpunkts des Ansaugtakts ist, wodurch die zuvor beschriebene Zwischenexpansion des in dem Zylinder 14 enthaltenen Gases realisiert werden kann.
Vorzugsweise liegt der Ventilhub des Einlassventils 40 in einem Bereich von einschließlich 2 Millimeter bis einschließlich 9 Millimeter. Alternativ oder zusätzlich weißt der Ventilhub des Einlassventils 40 insbesondere dann, wenn der Ventilhub 2 Millimeter beträgt, eine Breite auf, welche in einem Bereich von einschließlich 30° Kurbelwinkel bis einschließlich 160° Kurbelwinkel liegt. Diese Breite wird auch als Öffnungsbreite bezeichnet.
Bei der in 2 veranschaulichten ersten Ausführungsform weißt die Hubkurve 44 ein Plateau 48 auf. Dabei weißt das Plateau vorzugsweise ein Breite oder Länge auf, die in einem Bereich von einschließlich 10° Kurbelwinkel bis einschließlich 60° Kurbelwinkel liegt. Insbesondere ist aus 2 erkennbar, dass nach dem Plateau 48 das Einlassventil 40 weiter geöffnet wird. Beispielsweise weißt das Plateau eine Höhe auf, die in einem Bereich von einschließlich 0,5 Millimeter bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens. Bei der zweiten Ausführungsform weist die Hubkurve 46 beziehungsweise das Auslassventil 42 ein Plateau 50 auf. Dabei ist aus 3 erkennbar, dass das Auslassventil 42 zunächst in Richtung seiner Schließstellung bewegt, dann auf dem Plateau 50 gehalten und danach wieder in Richtung der Schließstellung und insbesondere in die Schließstellung bewegt und schließlich geschlossen wird. Vorzugsweise liegt der Hub des Auslassventils 42 in einem Bereich von einschließlich 5 Millimeter bis einschließlich 11 Millimeter. Vorzugsweise weißt der Hub des Auslassventils 42, insbesondere dann, wenn der Hub des Auslassventils 42 2 Millimeter beträgt, eine Öffnungsbreite auf, welche in einem Bereich von einschließlich 70° Kurbelwinkel bis einschließlich 200° Kurbelwinkel liegt. Das Plateau 50 weißt vorzugsweise eine Länge beziehungsweise Breite auf, die in einem Bereich von einschließlich 10° Kurbelwinkel bis einschließlich 60° Kurbelwinkel liegt. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Plateau 50 eine Höhe aufweist, die in einem Bereich von einschließlich 0,5 Millimeter bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010011681 A1 [0002]
DE 102006032719 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors (10) in einem Magerbetrieb, bei welchem der wenigstens einen Zylinder (14), wenigstens ein dem Zylinder (14) zugeordnetes Einlassventil (40) und wenigstens einen in dem Zylinder (14) translatorisch zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar aufgenommenen Kolben (38) umfassende Ottomotor (10) mit einem überstöchiömetrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben und eine interne Abgasrückführung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (40) im Ansaugtakt derart geschlossen wird, dass das Einlassventil (40) geschlossen ist, bevor der Kolben (38) seinen zu dem Ansaugtakt gehörenden unteren Totpunkt (UT) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (40) bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors (10) wenigstens einen Ventilhub ausführt, welcher in einem Bereich von einschließlich zwei Millimeter bis einschließlich neun Millimeter liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (40) bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors (10) wenigstens einen Ventilhub ausführt, welcher eine Breite aufweist, die in einem Bereich von einschließlich 30 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 160 Grad Kurbelwinkel liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (40) bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors (10) wenigstens einen Ventilhub mit einer Hubkurve (44) ausführt, die zumindest ein Plateau (48) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Plateau (48) eine Breite aufweist, welche in einem Bereich von einschließlich 10 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 60 Grad Kurbelwinkel liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (40) während des Plateaus (48) der Hubkurve (44) eine Offenstellung einnimmt, in welcher das Einlassventil (40) aus seiner Schließstellung um einen Öffnungsweg herausbewegt ist, der in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zylinder (14) wenigstens ein Auslassventil (42) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (42) bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors (10) wenigstens einen Ventilhub ausführt, welcher in einem Bereich von einschließlich fünf Millimeter bis einschließlich elf Millimeter liegt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (42) bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors (10) wenigstens einen Ventilhub ausführt, welcher eine Breite aufweist, die in einem Bereich von einschließlich 70 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 200 Grad Kurbelwinkel liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (42) bei wenigstens einem Arbeitsspiel des Ottomotors (10) wenigstens einen Ventilhub mit einer Hubkurve (46(ausführt, die zumindest ein Plateau (50) aufweist, wobei: - das Plateau (50) eine Breite aufweist, welche in einem Bereich von einschließlich 10 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 60 Grad Kurbelwinkel liegt, und/oder - das Auslassventil (42) während des Plateaus (50) der Hubkurve (46) des Auslassventils (42) eine Offenstellung einnimmt, in welcher das Auslassventil (42) aus seiner Schließstellung um einen Öffnungsweg herausbewegt ist, der in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt.