DE102016015146A1

DE102016015146A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sowie Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102016015146A1
Application number: DE102016015146.3A
Authority: DE
Inventors: Joerg Weingaertner; Tobias Böcking; Normann Freisinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen ersten Brennraum (14a, b), wenigstens zwei dem ersten Brennraum (14a, b)zugeordnete erste Einlassventile, wenigstens einen zweiten Brennraum (14c, d), und wenigstens zwei dem zweiten Brennraum (14c, d) zugeordnete zweite Einlassventile aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem in den jeweiligen Brennraum (14a-d) Luft mit einer eine Drehrichtung (30, 32) aufweisenden Drallströmung (34) eingeleitet wird, wobei in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (10) die ersten Einlassventile mit ersten Ventilerhebungskurven (44, 46) mit voneinander unterschiedlichen öffnungsbreiten und die zweiten Einlassventile mit zweiten Ventilerhebungskurven (44, 46) mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten betätigt werden, sodass die Drehrichtung (30) der Drallströmung (34) der in den ersten Brennraum (14a, b) einströmenden Luft der Drehrichtung (32) der Drallströmung (34) der in den zweiten Brennraum (14c, d) einströmenden Luft entgegengesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Derartige Verfahren zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, sowie derartige Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Die jeweilige Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen ersten, beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum sowie wenigstens zwei dem ersten Brennraum zugeordnete erste Einlassventile auf. Außerdem umfasst die jeweilige Verbrennungskraftmaschine einen beispielsweise als Zylinder ausgebildeten zweiten Brennraum und wenigstens zwei dem zweiten Brennraum zugeordnete zweite Einlassventile. Bei dem jeweiligen Verfahren wird die jeweilige Verbrennungskraftmaschine derart betrieben, dass in den jeweiligen Brennraum Luft mit einer eine Drehrichtung aufweisenden Drallströmung eingeleitet wird.
Die DE 198 06 272 C1 offenbart ferner einen im Druckgießverfahren herstellbaren Leichtmetall-Querstrom-Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte fremdgezündete Viertakt-Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, der aus einem Hauptteil besteht und als Druckgussteil ausgebildet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine die ersten Einlassventile mit ersten Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten und die zweiten Einlassventile mit zweiten Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten betätigt werden, sodass die Drehrichtung der Drallströmung der in den ersten Brennraum einströmenden Luft der Drehrichtung der Drallströmung der in den zweiten Brennraum einströmenden Luft entgegengesetzt ist.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter und somit energieverbrauchs- beziehungsweise kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine die ersten Einlassventile mit ersten Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten und die zweiten Einlassventile mit zweiten Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen öffnungsbreiten betätigbar sind, sodass die Drehrichtung der Drallströmung der in den ersten Brennraum einströmenden Luft der Drehrichtung der Drallströmung der in den zweiten Brennraum einströmenden Luft entgegengesetzt ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine liegt somit die Idee zugrunde, die Möglichkeit zu schaffen, die Drehrichtung der sich im Brennraum einstellenden Drallströmung betrachtet über die beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennräume der Verbrennungskraftmaschine hinweg bedarfsgerecht, also vorzugsweise auch gegenläufig zueinander, auszuführen. Die jeweilige, optimale beziehungsweise vorteilhafte Drehrichtung der Luft ergibt sich beispielsweise aus der konstruktiven Gestaltung der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Hinblick auf einen Aufbau eines Saugrohres und/oder eines Krümmers der Verbrennungskraftmaschine. Das Saugrohr ist beispielsweise eine von der Luft in eine Strömungsrichtung durchströmbare Luftleitung, mittels welcher die Luft den Brennräumen zugeführt und insbesondere in die Brennräume eingeleitet wird. Der Krümmer ist beispielsweise ein Abgasrohr, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist, sodass mittels des Krümmers Abgas aus den Brennräumen abgeführt wird. Diesen Aufbau berücksichtigend werden jeweilige, unterschiedliche Nocken zur Betätigung der Einlassventile auf einer entsprechende Nockenwelle so angeordnet und hinsichtlich ihrer jeweiligen Nockenbreite derart ausgestaltet, dass sich die für den jeweiligen Brennraum vorteilhafte Drehrichtung der jeweiligen Drallströmung im späteren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ergibt.
Im Rahmen der Konstruktion und Auslegung der Verbrennungskraftmaschine ist es somit vorgesehen, die jeweilige Drehrichtung der jeweiligen Drallströmung entsprechend auszuwählen und einzustellen, indem die Ventilerhebungskurven mit den voneinander unterschiedlichen öffnungsbreiten zum Einsatz kommen. Somit wird beispielsweise die jeweilige Drehrichtung durch entsprechende Wahl der Öffnungsbreiten eingestellt, sodass sich für jeden Brennraum die Drehrichtung der Drallstellung vorteilhaft einstellen lässt.
Das jeweilige Einlassventil wird beispielsweise mittels wenigstens eines Nockens betätigt, welcher beispielsweise drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Die unterschiedlichen Öffnungsbreiten der Ventilerhebungskurven können beispielsweise durch unterschiedliche öffnungsbreiten der jeweiligen Nocken realisiert werden, wobei die jeweiligen Öffnungsbreiten der jeweiligen Nocken auch als Nockenbreiten bezeichnet werden. Somit erfolgt beispielsweise im Rahmen der Konstruktion und Auslegung der Verbrennungskraftmaschine die Einstellung der jeweiligen Drehrichtung der Drallströmung durch entsprechende Wahl der jeweiligen, voneinander unterschiedlichen Nockenbreiten, um dadurch die voneinander unterschiedlichen öffnungsbreiten der Ventilerhebungskurven zu realisieren. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der jeweilige Brennraum mittels des Miller-Zyklus betrieben wird, um dadurch einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb zu realisieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einlassventile in zumindest einem weiteren Betriebszustand mit Ventilerhebungskurven mit gleicher Öffnungsbreite betätigt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Öffnungsbreite in Strömungsrichtung der eine Luftleitung der Verbrennungskraftmaschine durchströmenden Luft zunimmt. Die Luftleitung ist beispielsweise das zuvor genannte Saugrohr.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen, mit verbrennungsmotorischem Antrieb steigen das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von beispielsweise als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen immer weiter an. Ermöglicht wird dies beispielsweise durch eine Aufladung der beispielsweise mit einer Direkteinspritzung ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine, wobei die Aufladung beispielsweise mittels wenigstens eines Abgasturboladers erfolgen kann. Unter der Aufladung ist zu verstehen, dass die den Brennräumen zuzuführende Luft mittels eines Verdichters verdichtet wird.
Darüber hinaus ist das Bestreben groß, das Verdichtungsverhältnis der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine, welches direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine hat, möglichst hoch auszuführen. So ist ein Verdichtungsverhältnis 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 steigendem Verdichtungsverhältnis wächst das Risiko für irreguläre Verbrennung, insbesondere für eine klopfende Verbrennung oder Vorentflammung. Neben klopfmindernden Maßnahmen, die insbesondere zur Darstellung von hohem spezifischem Drehmoment und hoher spezifischer Leistung angewandt werden, stellt die Begrenzung des Drehmoments und eine gleichzeitige Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses eine wirkungsvolle Möglichkeit zur Effizienzsteigerung der Verbrennungskraftmaschine dar. Die Drehmomentreduzierung wird durch eine Reduzierung der Zylinderfüllung realisiert. Zur Reduzierung der Füllung kommt bei modernen, beispielsweise als Ottomotoren ausgebildete Verbrennungskraftmaschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis der sogenannte Miller-Zyklus zur Anwendung. Dabei werden die Einlassventile während des Ansaugens deutlich vor dem Zeitpunkt geschlossen, an dem der Kolben sich am unteren Totpunkt befindet. In Kombination mit einer Aufladung ist auf diese Weise ein sehr effizienter Motorbetrieb möglich. Das frühe Schließen der Einlassventile wirkt sich jedoch nachteilig auf die Ladungsbewegung aus, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind, sodass zum Zündzeitpunkt deutlich ungünstigere Entflammungsbedingungen vorliegen, die die Verbrennung nachteilig beeinflussen können. Ein bei niedrigen Lasten angewendetes verfrühtes Schließen der Einlassventile wird zur Entdrosselung genutzt und hat ebenfalls eine Reduzierung der Ladungsbewegung zur Folge.
Wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Miller-Zyklus verwendet, um die Verbrennungskraftmaschine zumindest im Hinblick auf die Brennräume mittels des Miller-Zyklus zu betreiben, so kann ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden. Zur Darstellung eines gesteigerten Verdichtungsverhältnisses wird die Zylinderfüllung mittels dazu geeigneter Ventilerhebungskurven reduziert, wobei die Ventilerhebungskurven innerhalb eines Brennraums beziehungsweise bezüglich des jeweiligen Brennraums unterschiedliche Öffnungsbreiten aufweisen. Dadurch werden die jeweiligen Einlassventile des jeweiligen, beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraums symmetrisch zueinander betrieben, insbesondere im Hinblick auf ihre Öffnungsbreiten. Unter der Öffnungsbreite ist beispielsweise während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine eine Zeitspanne zu verstehen, während welcher das jeweilige Einlassventil geöffnet ist beziehungsweise offen gehalten wird. Der konstruktiven Gestaltung der Verbrennungskraftmaschine entsprechend werden die Ventilerhebungskurven derart ausgestaltet und - beispielsweise durch entsprechendes Anordnen der jeweiligen Nocken - derart den jeweiligen Einlassventilen des jeweiligen Brennraums zugeordnet, dass sich eine besonders positive Beeinflussung des Ladungsbewegungsniveaus ergibt, die sich positiv auf die Gemischbildung, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen im Betrieb auswirkt. Vorteilhaft ist somit die Möglichkeit, die Drehrichtung der sich im Brennraum einstellenden Drallströmung betrachtet über die Brennräume hinweg bedarfsgerecht, also vorzugsweise auch gegenläufig zueinander beziehungsweise einander entgegengesetzt, auszuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch eine Verbesserung der Gemischbildung und der Verbrennung mittels der bedarfsgerechten Ausgestaltung und Anordnung beziehungsweise Zuordnung der zueinander asymmetrischen Ventilerhebungskurven. Durch die erfindungsgemäße Betätigung der Einlassventile können das Ladungsbewegungsniveau sowie die turbulente kinetische Energie zum Zündzeitpunkt deutlich gesteigert werden, was sich positiv auf die Verbrennung, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Die Umsetzung kann kostenneutral erfolgen, da sich kein Mehraufwand im Vergleich zu einer nicht-bedarfsgerechten Anordnung bei Verwendung asymmetrischer Ventilerhebungskurven, insbesondere aus der Nockenwelle, ergibt. Insbesondere können folgende Vorteile realisiert werden:

- kostengünstige Lösung zur Verbesserung des Miller-Verfahrens
- Steigerung der Ladungsbewegung und der turbulenten kinetischen Energie (TKE)
- Verbesserung der Gemischbildung
- Verbesserung der Verbrennung
- geringere Laufunruhe
- Reduzierung von Kraftstoffverbrauch, CO_2-Emissionen und Schadstoffemissionen
- Verbrauchsvorteil im realen Betrieb.

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 für ein Kraftfahrzeug, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird;
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 eine schematische Perspektivansicht eines als Zylinder ausgebildeten Brennraums der Verbrennungskraftmaschine; und
5 ein Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens.

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 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen, welches mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein Zylindergehäuse 12, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14a-d der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet sind. Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 werden den Zylindern 14a-d Luft und ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 14a-d ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Insbesondere wird das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einem Zündzeitpunkt gezündet. Die Zündung erfolgt beispielsweise mittels einer Fremdzündeinrichtung, insbesondere mittels wenigstens einer Zündkerze. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise als Ottomotor ausgebildet. Alternativ ist es denkbar, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 als Dieselmotor oder aber als andere Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Insbesondere ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als Hubkolbenmaschine ausgebildet. Dabei umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine in 1 nicht erkennbare, beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle, die um eine Drehachse relativ zu dem Zylindergehäuse 12 drehbar ist.
Den jeweiligen Zylindern 14a-d sind wenigstens zwei Einlassventile zugeordnet. Beispielsweise werden die dem Zylindern 14a beziehungsweise dem Zylinder 14b zugeordneten Einlassventile auch als erste Einlassventile bezeichnet, wobei die jeweiligen, dem Zylindern 14c beziehungsweise dem Zylinder 14d zugeordnete Einlassventile auch als zweite Einlassventile bezeichnet werden. Das jeweilige Einlassventil ist einem jeweiligen Einlasskanal zugeordnet, über welchen die zuvor genannte Luft in den jeweiligen Zylinder 14a-d eingeleitet werden kann beziehungsweise eingeleitet wird. Dabei ist das jeweilige Einlassventil zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch, bewegbar. In der jeweiligen Schließstellung versperrt das jeweilige Einlassventil den jeweils zugehörigen Einlasskanal, sodass keine Luft aus dem Einlasskanal aus- und in den jeweiligen Zylinder 14a-d einströmen kann. In der jeweiligen Offenstellung gibt das jeweilige Einlassventil den jeweils zugehörigen Einlasskanal frei, sodass dann Luft aus dem Einlasskanal aus- und in den jeweiligen Zylinder 14a-d einströmen kann. Dabei ist dem jeweiligen Einlassventil beispielsweise eine Feder zugeordnet, welche zumindest in der jeweiligen Offenstellung gespannt ist und eine Federkraft bereitstellt, mittels welcher das jeweilige Einlassventil aus der jeweiligen Offenstellung zurück in die jeweilige Schließstellung bewegt und insbesondere in der Schließstellung gehalten werden kann.
Um das jeweilige Einlassventil zu betätigen, das heißt zu öffnen und somit aus der Schließstellung in die wenigstens eine Offenstellung zu bewegen, weist die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens eine in 1 teilweise erkennbare Nockenwelle 16 auf, welche beispielsweise um eine zweite Drehachse relativ zum Zylindergehäuse 12 drehbar ist. Dabei verläuft beispielsweise die zweite Drehachse zumindest im Wesentlichen parallel zur ersten Drehachse der Abtriebswelle und ist von der ersten Drehachse beabstandet. Dabei ist die Nockenwelle 16 beispielsweise über ein Antriebssystem, insbesondere über einen Ketten- oder Riementrieb, mit der Abtriebswelle gekoppelt und somit von der Abtriebswelle antreibbar, das heißt um die zweite Drehachse drehbar.
Am Beispiel des Zylinders 14a beziehungsweise 14b ist erkennbar, dass beispielsweise einem der jeweiligen ersten Einlassventile ein Nocken 18 zugeordnet ist, welcher auf der Nockenwelle 16 angeordnet und von der Nockenwelle 16 antreibbar und beispielsweise drehfest mit der Nockenwelle 16 verbunden ist. Mittels des Nockens 18 ist das eine Einlassventil betätigbar. Dies bedeutet, dass während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 das eine Einlassventil mittels des Nockens 18 betätigt, das heißt geöffnet wird. Dem jeweils anderen der ersten Einlassventile ist ein Nocken 20 zugeordnet, welcher auf der Nockenwelle 16 angeordnet und von der Nockenwelle antreibbar und beispielsweise drehfest mit der Nockenwelle 16 verbunden ist. Dabei ist das andere Einlassventil mittels des Nockens 20 betätigbar.
Am Beispiel des Zylinders 14c beziehungsweise 14d ist in 1 erkennbar, dass beispielsweise einem der jeweiligen zweiten Einlassventile ein auf der Nockenwelle 16 angeordneter, von der Nockenwelle 16 antreibbarer und beispielsweise drehfest mit der Nockenwelle 16 verbundener Nocken 22 zum Betätigen des einen der zweiten Einlassventile zugeordnet ist. Dem anderen der jeweiligen zweiten Einlassventile ist ein auf der Nockenwelle 16 angeordneter, von der Nockenwelle 16 antreibbarer und beispielsweise drehfest mit der Nockenwelle 16 verbundener Nocken 24 zum Betätigen des anderen der zweiten Einlassventile zugeordnet. Hierdurch werden die jeweiligen Einlassventile während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 mittels der jeweiligen Nocken 18, 20, 22 und 24 betätigt.
Den Zylindern 14a-d ist ein Saugrohr 26 zugeordnet, welches von der den Zylindern 14a-d zuzuführenden Luft durchströmbar ist. Das Saugrohr 26 ist beispielsweise in einem von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet und wird auch als Luftleitung bezeichnet. Die den Zylindern 14a-d zuzuführende Luft wird beispielsweise mittels wenigstens eines Verdichters verdichtet. Somit weist die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Aufladung auf, und die Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet. Dann fungiert das Saugrohr 26 beispielsweise als Ladeluftverteiler, mittels welchem die verdichtete Luft auf die Zylinder 14a-d verteilt wird. Dabei veranschaulicht in 1 ein Pfeil 28 eine Strömung der auch als Verbrennungsluft bezeichneten Luft. Insbesondere veranschaulicht der Pfeil 28 eine Anströmung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit der Verbrennungsluft.
Wie ferner aus 1 anhand von Pfeilen 30 und 32 erkennbar ist, strömt die Luft während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer eine Drehrichtung aufweisenden Drallströmung in den Zylinder 14a-d beziehungsweise die in den jeweiligen Zylinder 14a-d einströmende Luft weist, insbesondere in dem jeweiligen Zylinder 14a-d, eine Drallströmung mit einer Drehrichtung auf, die durch den jeweiligen Pfeil 30 beziehungsweise 32 veranschaulicht ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist es beispielsweise in wenigstens einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgesehen, dass in den jeweiligen Zylinder 14a-d die Luft mit einer eine Drehrichtung aufweisenden Drallströmung eingeleitet wird.
Dabei zeigt 4 in einer schematischen Perspektivansicht einen der Zylinder 14a-d, wobei in 4 durch Pfeile 34 die Drallströmung und insbesondere deren Drehrichtung in dem jeweiligen Zylinder 14a-d veranschaulicht sind. Anhand der Pfeile 34 ist erkennbar, dass die Luft bei der Drallströmung um die Längsachse beziehungsweise um die Zylinderachse des jeweiligen Zylinders 14a-d strömt. Im Gegensatz dazu ist es bei einer Tumble-Strömung der Luft in dem jeweiligen Brennraum vorgesehen, dass die Luft zumindest im Wesentlichen tumbleförmig in den jeweiligen Zylinder 14a-d einströmt und dabei um eine quer zur Zylinderachse verlaufende Achse walzenförmig strömt.
Dem jeweiligen Zylinder 14a-d ist auch wenigstens ein Auslassventil zugeordnet, welches ebenfalls zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Das Auslassventil ist einem Auslasskanal zugeordnet, über welchen das zuvor genannte Abgas aus dem jeweiligen Zylinder 14a-d abgeführt werden kann. In der Schließstellung versperrt das jeweilige Auslassventil den jeweils zugehörigen Auslasskanal. In der Offenstellung jedoch gibt das jeweilige Auslassventil den jeweils zugehörigen Auslasskanal frei, sodass ein Abgas aus dem jeweiligen Zylinder 14a-d aus- und in den jeweiligen Auslasskanal einströmen kann. Dabei wird beispielsweise das Auslassventil während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mit einer Ventilerhebungskurve betrieben und entsprechend betätigt, das heißt geöffnet. Die Einlassventile und die Auslassventile werden zusammenfassend auch als Gaswechselventile bezeichnet, die im Zuge ihrer jeweiligen Bewegung aus der jeweiligen Schließstellung in die jeweilige Offenstellung einen sogenannten Ventilhub ausführen.
Dabei zeigt 5 ein Diagramm, auf dessen Abszisse 36 die Grad Kurbelwinkel der Kurbelwelle aufgetragen sind. Ferner ist auf der Ordinate 38 des Diagramms der jeweilige Ventilhub aufgetragen. Dabei veranschaulicht ein in das in 5 gezeigte Diagramm eingetragener Verlauf 40 die Ventilerhebungskurve, mit welcher das jeweilige Auslassventil betrieben wird. Außerdem veranschaulichen jeweilige Verläufe 42, 44 und 46 jeweilige Ventilerhebungskurven, mit welchen die jeweiligen Einlassventile betrieben werden können.
Ferner ist aus 1 erkennbar, dass beispielsweise dem einen der ersten Einlassventile ein Nocken 48 zum Betätigen des einen der ersten Einlassventile zugeordnet ist, wobei dem anderen der ersten Einlassventile ein Nocken 50 zum Betätigen des anderen der ersten Einlassventile zugeordnet ist. Demzufolge ist beispielsweise dem einen der zweiten Einlassventile ein Nocken 52 zum Betätigen des einen der zweiten Einlassventile zugeordnet, wobei dem anderen der zweiten Einlassventile ein Nocken 54 zum Betätigen des anderen der zweiten Einlassventile zugeordnet ist. Dabei ist eine Ventilumschaltung vorgesehen, sodass die Einlassventile wahlweise mittels der Nocken 18, 20, 22 und 24 oder mittels der Nocken 48, 50, 52 und 54 betätigt werden. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, unterscheiden sich die Nocken 18 und 20 beziehungsweise 22 und 24 in ihrer jeweiligen Nockenbreite voneinander, sodass durch die Nocken 18 und 20 beziehungsweise 22 und 24 Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten bewirkt werden. Die Nocken 48 und 50 beziehungsweise 52 und 54 jedoch weisen zumindest im Wesentlichen gleiche Nockenbreiten auf und bewirken somit jeweilige Ventilerhebungskurven mit zumindest im Wesentlichen gleichen Öffnungsbreiten.
Dabei veranschaulicht der Verlauf 42 beispielsweise eine Ventilerhebungskurve, welche durch den jeweiligen Nocken 48, 50, 52 beziehungsweise 54 bewirkt werden kann. Die Verläufe 44 und 46 veranschaulichen Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten, wobei die Öffnungsbreite der durch den Verlauf 44 veranschaulichten Ventilerhebungskurve durch einen Doppelpfeil 56 veranschaulicht ist.
Beispielsweise weist die durch den Verlauf 44 veranschaulichte Ventilerhebungskurve eine wesentlich größere Öffnungsbreite als die durch den Verlauf 46 veranschaulichte Ventilerhebungskurve auf, sodass beispielsweise die durch den Verlauf 44 veranschaulichte Ventilerhebungskurve durch den Nocken 18 beziehungsweise 24 bewirkt wird, wobei beispielsweise die durch den Verlauf 46 veranschaulichte Ventilerhebungskurve durch den jeweiligen Nocken 20 beziehungsweise 22 bewirkt wird.
In 1 ist erkennbar, dass die jeweiligen Nocken 18, 20, 22, 24, 48, 50, 52 und 54 mit einer Zahl beschriftet beziehungsweise versehen sind. Die jeweilige Zahl gibt dabei die Öffnungsbreite der jeweiligen, durch den jeweiligen Nocken 18, 20, 22, 24, 48, 50, 52 und 54 bewirkten Ventilerhebungskurve in der Einheit Grad Kurbelwinkel an, sodass beispielsweise die durch den jeweiligen Nocken 48, 50, 52 beziehungsweise 54 bewirkte Ventilerhebungskurve eine Öffnungsbreite von 110 Grad Kurbelwinkel, die durch den jeweiligen Nocken 18 beziehungsweise 24 bewirkte Ventilerhebungskurve eine Öffnungsbreite von 120 Grad Kurbelwinkel und die durch den jeweiligen Nocken 20 beziehungsweise 22 bewirkte Ventilerhebungskurve eine Öffnungsbreite von 100 Grad Kurbelwinkel aufweist.
Somit ist insgesamt erkennbar, dass in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 die ersten Einlassventile mit den durch die Nocken 18 und 20 bewirkten Ventilerhebungskurven mit den voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten und die jeweiligen zweiten Einlassventile mit den durch die Nocken 22 und 24 bewirkten Ventilerhebungskurven mit den voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten betätigt werden, sodass die Drehrichtung der Drallströmung der in den jeweiligen Zylinder 14a beziehungsweise 14b einströmenden Luft der Drehrichtung der Drallströmung der in den jeweiligen Zylinder 14c beziehungsweise 14d einströmenden Luft entgegengesetzt ist.
Dem Verfahren der Verbrennungskraftmaschine 10 liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass die sich einstellende Zylinderfüllung maßgeblich von der Öffnungsbreite der jeweiligen Ventilerhebungskurve sowie von dem Zeitpunkt des Ventilschließens abhängt. Beispielsweise bei einem Reihen-Vier-Zylinder-Motor mit zwei Litern Hubraum beträgt die Öffnungsbreite bei einem Ventilhub von 2 Millimetern beispielsweise 125 Grad Kurbelwinkel, während eine konventionelle Ventilerhebungskurve eine Breite von circa 165 Grad Kurbelwinkel bei einem Ventilhub von 2 Millimetern aufweist.
Zur weiteren Steigerung der Effizienz der Verbrennungskraftmaschine wird ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis angestrebt, wodurch die Zylinderfüllung, insbesondere bei Volllast, begrenzt werden muss, damit die Verbrennungskraftmaschine nicht infolge irregulärer Verbrennung Schaden nimmt. Bei niedriger Last wird die Füllung zur Entdrosselung der Verbrennungskraftmaschine 10 reduziert, was sich ebenfalls positiv auf die Effizienz auswirkt. Durch die Begrenzung der Füllung mittels des verfrühten Schließens der Einlassventile wird das Ladungsbewegungsniveau, das heißt der Tumble, deutlich reduziert, was schlussendlich eine signifikante Reduzierung der turbulenten kinetischen Energie (TKE), insbesondere zum Zündzeitpunkt, zur Folge hat. Diesem Sachverhalt kann nach heutigem Stand der Technik mittels verschiedener Maßnahmen begegnet werden. Dazu gehören zum einen ladungsbewegungssteigernde Maßnahmen, die in der Folge zu einer Steigerung der TKE führen, wie zum Beispiel:

- Erhöhung des Ladungsbewegungsniveaus mittels Einlasskanaloptimierung
- Erhöhung des Ladungsbewegungsniveaus mittels Nutzung einer Ladungsbewegungsklappe oder eines ähnlichen Stellglieds
- Erhöhung der Ladungsbewegung mittels einer Einlassventilmaskierung, wie sie beispielsweise in der DE 198 08 574 A1 beschrieben ist.

Ferner kann der reduzierten TKE nach heutigem Stand der Technik alternativ oder ergänzend mittels weiterer Maßnahmen begegnet werden, die zu einer direkten Steigerung der TKE führen. Dazu gehören beispielsweise:

- Einsatz einer Mehrfacheinspritzung, insbesondere mit später Zündeinspritzung, wodurch die Entflammung verbessert wird
- Verwendung einer optimierten Zündanlage, beispielsweise mit gesteigertem Energieeintrag und/oder einer Corona-Zündung

Allen oben genannten Maßnahmen ist gemein, dass sie vergleichsweise starken Änderungen einer Brennkraftmaschine mit konventioneller Ventilerhebung, das heißt ohne Miller-Zyklus, bedürfen, um den Miller-Zyklus bei gesteigertem Verdichtungsverhältnis unter Verwendung von Miller-Ventilerhebungskurven, die beispielsweise den durch die Verläufe 44 und 46 dargestellten Ventilerhebungskurven ähneln, anwenden zu können.
Durch einen Miller-Zyklus können der Tumble und die TKE deutlich reduziert werden. Durch Berechnen von Verläufen unter Einsatz einer ladungsbewegungssteigernden Maßnahme wurde gefunden, dass eine solche ladungsbewegungssteigernde Maßnahme zwar Wirkung zeigt, zu deren Umsetzung bedarf es jedoch einer besonders umfangreichen und somit kostenintensiven Änderung der Verbrennungskraftmaschine 10. Darüber hinaus hat die dazu notwendige Reduzierung des effektiven Einlasskanalquerschnitts Nachteile bei hohem Luftmassenstrom, insbesondere bei Nennleistung. Ferner ist es denkbar, die Gemischbildung bei asymmetrischer Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum durch eine asymmetrische Ventilerhebung bei frühem Einlass-Schließen zu verbessern. Dadurch wird beispielsweise die für einen Ottomotor typische Tumble-Strömung im jeweiligen Brennraum durch eine Drallkomponente überlagert.
Bei dem Verfahren ist es nun beispielsweise vorgesehen, die Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise die jeweiligen Zylinder 14a-d mittels des Miller-Zyklus zu betreiben, um dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen. Durch die Herstellung eines gesteigerten Verdichtungsverhältnisses wird die Zylinderfüllung mittels dazu geeigneter Ventilerhebungskurven reduziert, wobei diese innerhalb des jeweiligen Zylinders 14a-d eine unterschiedliche Öffnungsbreite und somit eine Asymmetrie aufweisen. Dies wird durch den Einsatz der Nocken 18 und 20 beziehungsweise 22 und 24 mit den voneinander unterschiedlichen Nockenbreiten realisiert.
Der konstruktiven Gestaltung der Verbrennungskraftmaschine 10 entsprechend werden die Nocken 18 und 20 beziehungsweise 22 und 24 und somit die Ventilerhebungskurven derart angeordnet beziehungsweise den Zylindern 14a-d zugeordnet, dass sich eine besonders positive Beeinflussung des Ladungsbewegungsniveaus ergibt, die sich positiv auf die Gemischbildung, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen im Betrieb auswirken. Somit zeichnet sich die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise durch die Möglichkeit aus, die Drehrichtung der sich im jeweiligen Brennraum einstellenden Drallströmung betrachtet über die Zylinder 14a-d hinweg bedarfsgerecht, also beispielsweise auch gegenläufig zueinander, auszuführen. Die jeweilige vorteilhafte Drehrichtung wirkt sich dabei beispielsweise auf die konstruktive Gestaltung der Verbrennungskraftmaschine 10, beispielsweise durch den Aufbau des Saugrohrs 26 und/oder eines Krümmers zum Abführen des Abgases aus den Zylindern 14a-d, aus. Diesen Aufbau berücksichtigend können unterschiedliche Nocken 18, 20, 22 und 24 auf der Nockenwelle 16 so angeordnet werden, dass sich die optimale Drehrichtung im späteren Betrieb ergibt. Somit erfolgt beispielsweise im Rahmen der Konstruktion und Auslegung der Verbrennungskraftmaschine ein Vorgehen, bei welchem jeweilige Nockenbreiten und somit jeweilige öffnungsbreiten beziehungsweise Ventilerhebungskurven mit solchen öffnungsbreiten entsprechend gewählt werden, um die Drehrichtung der Drallströmung bedarfsgerecht und im Hinblick auf einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 vorteilhaft einzustellen. Die konstruktive Gestaltung der in 1 veranschaulichten Verbrennungskraftmaschine 10 sieht beispielsweise vor, dass die Luft beispielsweise an einer Stelle in das Saugrohr 26 einströmt und ausgehend von der Stelle in entgegengesetzte Strömungsrichtungen zu den Zylindern 14a-d strömt.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, bei welcher - wie auch bei der in 1 gezeigten Verbrennungskraftmaschine 10 - die Zylinder 14a-d in Längsrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit entlang der ersten Drehrichtung der Kurbelwelle aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordnet sind. Bei der zweiten Ausführungsform nimmt die Nockenbreite in Strömungsrichtung der das Saugrohr 26 durchströmenden Luft zu, sodass bezogen auf die Strömungsrichtung der das Saugrohr 26 durchströmenden Luft und bezogen auf den jeweiligen Zylinder 14a-d für sich betrachtet der jeweilige Nocken 20 beziehungsweise 22, der gegenüber dem jeweiligen Nocken 18 beziehungsweise 24 eine geringere Nockenbreite aufweist, stromauf des Nockens 18 beziehungsweise 24 mit der größeren Nockenbreite angeordnet ist. Dadurch ergibt sich die jeweilige, in 2 durch den jeweiligen Pfeil 30 veranschaulichte Drehrichtung der jeweiligen Drallströmung.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, bei welcher die Anordnung der Nocken 18 und 20 beziehungsweise 22 und 24 auf der Nockenwelle 16 und somit die Zuordnung der Ventilerhebungskurven zu den jeweiligen Einlassventilen der jeweiligen Zylinder 14a-d derart gewählt wird, dass sich die in 3 durch die Pfeile 32 veranschaulichte Drehrichtung der Drallströmung ergibt.
Bei einer in den Fig. nicht veranschaulichten weiteren Ausführungsform ist die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise als Reihen-Drei-Zylinder-Motor ausgebildet und umfasst somit genau drei Zylinder, welche in Längsrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10 aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordnet sind. Genau einer der drei Zylinder ist bezogen auf die Längsrichtung zwischen den anderen zwei Zylindern angeordnet, sodass der zwischen den anderen zwei Zylindern angeordnete Zylinder auch als Mittenzylinder bezeichnet wird. Bei dem Mittenzylinder ist beispielsweise keine Asymmetrie der Nocken beziehungsweise der Öffnungsbreiten der Ventilerhebungskurven vorgesehen, wobei beispielsweise bei den zwei anderen Zylindern eine anhand von 1 bis 5 beschriebene Asymmetrie der Ventilerhebungskurven der Einlassventile vorgesehen ist, um die Drehrichtung der Drallströmung besonders vorteilhaft und bedarfsgerecht einstellen zu können. Die Abstimmung der Nockenbreiten und deren Ausgestaltung ist beispielsweise der DE 10 2013 014 962 A1 als bekannt zu entnehmen. Insbesondere ist es vorgesehen, die Verbrennungskraftmaschine entweder ständig oder nur in zumindest einem Betriebszustand, insbesondere nur bei Teillast, mittels des Miller-Zyklus zu betreiben. Alternativ oder zusätzlich weist die Verbrennungskraftmaschine 10 ein variables Verdichtungsverhältnis auf, sodass das Verdichtungsverhältnis des jeweiligen Zylinders 14a-d bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb realisiert werden. Sinnvolle Werte zur Realisierung des Miller-Zyklus sind für die Öffnungsbreite beispielsweise Werte von kleiner gleich 130 Grad Kurbelwinkel, also beispielsweise 130 Grad Kurbelwinkel, 120 Grad Kurbelwinkel, 110 Grad Kurbelwinkel und 100 Grad Kurbelwinkel.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylindergehäuse
14a-d: Zylinder
16: Nockenwelle
18: Nocken
20: Nocken
22: Nocken
24: Nocken
26: Saugrohr
28: Pfeil
30: Pfeil
32: Pfeil
34: Pfeil
36: Abszisse
38: Ordinate
40: Verlauf
42: Verlauf
44: Verlauf
46: Verlauf
48: Nocken
50: Nocken
52: Nocken
54: Nocken
56: Doppelpfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19806272 C1 [0003]
DE 19808574 A1 [0037]
DE 102013014962 A1 [0045]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen ersten Brennraum (14a, b), wenigstens zwei dem ersten Brennraum (14a, b)zugeordnete erste Einlassventile, wenigstens einen zweiten Brennraum (14c, d), und wenigstens zwei dem zweiten Brennraum (14c, d) zugeordnete zweite Einlassventile aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem in den jeweiligen Brennraum (14a-d) Luft mit einer eine Drehrichtung (30, 32) aufweisenden Drallströmung (34) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (10) die ersten Einlassventile mit ersten Ventilerhebungskurven (44, 46) mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten und die zweiten Einlassventile mit zweiten Ventilerhebungskurven (44, 46) mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten betätigt werden, sodass die Drehrichtung (30) der Drallströmung (34) der in den ersten Brennraum (14a, b) einströmenden Luft der Drehrichtung (32) der Drallströmung (34) der in den zweiten Brennraum (14c, d) einströmenden Luft entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Brennraum (14a-d) mittels des Miller-Zyklus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile in zumindest einem weiteren Betriebszustand mit Ventilerhebungskurven (42) mit gleicher Öffnungsbreite betätigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsbreite in Strömungsrichtung der eine Luftleitung (26) der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmenden Luft zunimmt.
Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem ersten Brennraum (14a, b), mit wenigstens zwei dem ersten Brennraum (14a, b) zugeordneten ersten Einlassventilen, mit wenigstens einem zweiten Brennraum (14c, d), und mit wenigstens zwei dem zweiten Brennraum (14c, d) zugeordneten zweiten Einlassventilen, wobei während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (10) in den jeweiligen Brennraum (14a-d) Luft mit einer eine Drehrichtung (30, 32) aufweisenden Drallströmung (34) einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (10) die ersten Einlassventile mit ersten (44, 46) Ventilerhebungskurven mit voneinander unterschiedlichen öffnungsbreiten und die zweiten Einlassventile mit zweiten Ventilerhebungskurven (44, 46) mit voneinander unterschiedlichen Öffnungsbreiten betätigbar sind, sodass die Drehrichtung (30) der Drallströmung (34) der in den ersten Brennraum (14a, b) einströmenden Luft der Drehrichtung (32) der Drallströmung (34) der in den zweiten Brennraum (14c, d) einströmenden Luft entgegengesetzt ist.