DE102017208857A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine einen Viertakt-Verbrennungsmotor aufweist, der einen Brennraum ausbildet, wobei dem Brennraum
- ein Einlassventil zum gesteuerten Einbringen von Frischgas in den Brennraum,
- ein Auslassventil zum gesteuerten Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum,
- ein Injektor zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum und
- eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Brennraum
zugeordnet ist. Das Einlassventil und das Auslassventil sind mittels eines Ventiltriebs betätigbar, der derart ausgebildet ist, dass zumindest für das Auslassventil eine Anpassung der Ventilbetätigung möglich ist. Das Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs wird mittels der Zündvorrichtung zu einem definierten Zündwinkel je Arbeitsspiel initiiert. Es sind ein erster Betriebszustand und ein zweiter Betriebszustand vorgesehen, wobei in dem ersten Betriebszustand einerseits das Auslassventil während eines Ausstoßtakts des Arbeitsspiels infolge einer relativ kurzen Öffnungsdauer relativ früh im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand geschlossen und/oder das Auslassventil während des sich an den Ausstoßtakt anschließenden Ansaugtakts ein zweites Mal geöffnet wird sowie andererseits der Zündwinkel auf relativ spät im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand eingestellt wird. In dem ersten Betriebszustand kann trotz des relativ späten Zündwinkels, der zur Erzielung einer relativ hohen Abgastemperatur mit dem Ziel einer schnellen Aufheizung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorgesehen ist, eine ausreichende Laufruhe des Verbrennungsmotors erreicht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
  • Eine Anhebung der Temperatur des Abgases eines Verbrennungsmotors kann in bestimmten Betriebssituationen erwünscht sein. Dies kann insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, wenn dieser und insbesondere auch in einen Abgasstrang für den Verbrennungsmotor integrierte Abgasnachbehandlungsvorrichtungen (z.B. Katalysatoren) ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben, der Fall sein. Um ihre Betriebsbereitschaft zu erhalten müssen sich Katalysatoren zumindest auf eine katalysatorspezifische Anspringbeziehungsweise Light-off-Temperatur erwärmt haben. Dabei bezeichnet die Anspringtemperatur insbesondere eine Temperatur, bei der der Katalysator eine Konvertierungsrate von mindestens 50% für den oder die jeweiligen Schadstoffe des Abgases erreicht. Solange ein Katalysator seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, gelangen Schadstoffe des Abgases zu einem großen Teil unkonvertiert in die Atmosphäre.
  • Um die Temperatur des Abgases eines Verbrennungsmotors anzuheben, wodurch ermöglicht wird, das Erreichen der Betriebsbereitschaft einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung und insbesondere eines Katalysators zu beschleunigen, sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Bekannt ist, den Zündwinkel, also den Zeitpunkt, an dem eine Zündung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in einem Brennraum des Verbrennungsmotors mittels einer Zündvorrichtung initiiert wird, während des Warmlaufs des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart relativ spät (bezüglich eines Zündwinkels, mit ein möglichst hoher Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors erreicht wird) einzustellen. Durch diese Spätverstellung des Zündwinkels wird der Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors gezielt verringert und dadurch die Temperatur des dabei aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases erhöht. Infolge des heißeren Abgases wird die Katalysatoraufheizung beschleunigt. Eine Spätverstellung des Zündwinkels findet seine Begrenzung bei solchen Werten, bei denen die Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine in einem inakzeptablen Maße negativ beeinflusst ist, weil eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs nicht mehr gewährleistet ist.
  • Eine Erhöhung der Temperatur des Abgases ist auch durch eine Mehrfacheinspritzung des Kraftstoffs möglich, welche für direkteinspritzende, fremdgezündete Verbrennungsmotoren in beispielsweise der WO 00/08328 A1 , der EP 0 982 489 A2 und der WO 00/57045 A1 beschrieben ist. Dabei wird eine während eines Arbeitsspiels für einen Brennraum zuzuführende Kraftstoffgesamtmenge in mindestens zwei Teilmengen im Rahmen von mindestens zwei Einspritzvorgängen zugeführt. Eine erste, frühe Einspritzung (homogene Teileinspritzung) erfolgt während eines Ansaugtaktes für einen Brennraum derart, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge zum nachfolgenden Zündzeitpunkt eine zumindest weitgehend homogene Verteilung im Brennraum aufweist. Eine zweite, späte Einspritzung (Schicht-Teileinspritzung) wird dagegen noch vor Zündung während eines anschließenden Verdichtungstakts durchgeführt und führt zu einer sogenannten Schichtladung, bei der die eingespritzte Kraftstoffwolke sich im Wesentlichen im Bereich um eine dem Brennraum zugeordnete Zündkerze konzentriert. Somit liegt im Mehrfacheinspritzungsbetrieb eines Verbrennungsmotors ein Mischbetrieb aus Schichtladung und Homogenladung vor. Der Mehrfacheinspritzbetrieb ermöglicht, das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch deutlich später als im Einfacheinspritzbetrieb zu zünden und damit zu einer erhöhten Abgastemperatur im Vergleich zu einem reinem Homogenbetrieb zu gelangen.
  • Die DE 102 36 856 A1 offenbart ein Verfahren zur temporären Anhebung der Temperatur des Abgases eines Verbrennungsmotors durch eine Zündwinkelverstellung und eine Mehrfacheinspritzung, wobei bei der Mehrfacheinspritzung innerhalb eines Ansaugtakts und eines Verdichtungstakts für einen Brennraums des Verbrennungsmotors mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen durchgeführt werden und die späteste dieser Einspritzungen während eines Verdichtungstakts erfolgt. Weiterhin ist vorgesehen, dass im Mehrfacheinspritzungsbetrieb ein Ansteuerende eines Einspritzwinkels der spätesten Einspritzung in Abhängigkeit der Kolbenbodentemperatur und/oder einer dazu korrelierenden Ersatzgröße variiert wird.
  • Die US 6,386,177 B2 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Benzinmotor, der sowohl mittels Selbstzündung als auch mittels Fremdzündung betrieben werden kann. Während eines Betriebs mit Selbstzündung ist vorgesehen, die Auslassventile so früh während des Ausstoßtakts zu schließen, dass Restgas in den Brennräumen verbleibt. In dieses Restgas kann noch vor dem Erreichen des oberen Totpunkts während des Ladungswechsels (LW-OT) eine erste Teilmenge Kraftstoff eingespritzt werden. Eine zweite Kraftstoffeinspritzung kann dann noch während des Verdichtungstakts in dem jeweiligen Arbeitsspiel vorgesehen sein.
  • Die WO 2012/045850 A2 offenbart verschiedene Verfahren zum Betreiben einer ViertaktBrennkraftmaschine mit Funkenzündung, die verschiedene Arten von Mehrfacheinspritzungen von Kraftstoff vorsehen, um Partikelemissionen der Brennkraftmaschine gering zu halten.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine möglichst vorteilhafte Möglichkeit zur Erzielung einer relativ hohen Temperatur des Abgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere mit dem Ziel der Beschleunigung des Erreichens der Betriebstemperatur einer in einen Abgasstrang für den Verbrennungsmotor integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung, anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der Patentansprüche 11 und 14. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und bevorzugte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine einen (fremdgezündeten) Viertakt-Verbrennungsmotor, insbesondere einen Viertakt-Hubkolbenmotor (z.B. Ottomotor), aufweist, der einen Brennraum ausbildet, wobei dem Brennraum
    • - ein Einlassventil zum gesteuerten Einbringen von Frischgas in den Brennraum,
    • - ein Auslassventil zum gesteuerten Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum,
    • - ein Injektor zum (direkten) Einbringen (insbesondere Einspritzen) von Kraftstoff in den Brennraum und
    • - eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Brennraum zugeordnet ist. Das Einlassventil und das Auslassventil sind mittels eines Ventiltriebs betätigbar, der derart ausgebildet ist, dass zumindest für das Auslassventil eine Variation der Ventilbetätigung möglich ist. Das Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs wird mittels der Zündvorrichtung zu einem definierten Zündwinkel je Arbeitsspiel initiiert. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist ein solches Verfahren dadurch, dass ein erster Betriebszustand und ein zweiter Betriebszustand vorgesehen sind, wobei in dem ersten Betriebszustand einerseits das Auslassventil während eines Ausstoßtakts des Arbeitsspiels (und damit vor dem LW-OT) infolge einer relativ kurzen Öffnungsdauer relativ früh (jeweils) im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand geschlossen und/oder das Auslassventil während des sich an den Ausstoßtakt anschließenden Ansaugtakts ein zweites Mal (zusätzlich zu einem Öffnen während des Ausstoßtakts) geöffnet wird sowie andererseits der Zündwinkel auf relativ spät im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand eingestellt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beruht einerseits auf der an sich bekannten Idee, während eines Betriebs der Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Betriebszustand durch eine Spätverstellung des Zündwinkels relativ zu dem für den zweiten Betriebszustand vorgesehenen Zündwinkel, der insbesondere hinsichtlich eines möglichst großen Wirkungsgrads im Betrieb des Verbrennungsmotors ausgelegt sein kann, gezielt eine Absenkung des Wirkungsgrads im Betrieb des Verbrennungsmotors zu erreichen. Der erste Betriebszustand kann dabei vorzugsweise immer dann, wenn (zumindest) eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines Grenzwerts oder eines Grenzwertbereichs liegt, und/oder immer nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eingestellt werden. Ein hinsichtlich eines möglichst großen Wirkungsgrads im zweiten Betriebszustand eingestellter Zündwinkels kann insbesondere zwischen 50°KW vor Z-OT und 10°KW nach Z-OT eingestellt sein und dabei auch in diesem Bereich in Abhängigkeit von der Last und/oder der Drehzahl, mit der der Verbrennungsmotor betrieben wird, variieren. Zumeist kann der Zündwinkel zwischen 20°KW und 30°KW vor Z-OT betragen.
  • Z-OT bezeichnet dabei den oberen Totpunkt einer Bewegung des dem Brennraum zugeordneten Kolbens innerhalb eines Arbeitsspiel, der in dem Bereich der Kolbenbewegung liegt, in dem die Zündung initiiert wird. Der Z-OT trennt folglich den Verdichtungsstakt von dem Arbeitstakt des Arbeitsspiels. Neben dem Z-OT umfasst ein Arbeitsspiel noch einen LW-OT und folglich den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung, der während des Ladungswechsels und folglich zwischen dem Ausstoßtakt und dem Ansaugtakt liegt. Zwischen den OTs liegt jeweils ein unterer Totpunkt (UT) der Kolbenbewegung.
  • Durch die gezielte Absenkung des Wirkungsgrads wird ein erhöhter Anteil der in dem Kraftstoff eines zuvor verbrannten Kraftstoffs-Frischgas-Gemischs enthaltenen Energie als Wärmeenergie mit dem Abgas abgeführt, wodurch sich eine relativ hohe Temperatur des Abgases einstellt, die in vorteilhafter Weise für insbesondere ein möglichst schnelles Aufheizen einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (insbesondere ein Katalysator, beispielsweise ein Dreiwegekatalysator), die vorzugsweise in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist, genutzt werden kann.
  • Um zu vermeiden, dass sich eine solche Spätverstellung des Zündwinkels in inakzeptablem Maße negativ auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors auswirkt, kann einerseits erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass während des ersten Betriebszustands und somit zeitgleich mit der Spätverstellung des Zündwinkels (infolge einer relativ kurzen Öffnungsdauer) ein relativ frühes Schließen des Auslassventils noch während des Ausstoßtakts bewirkt wird, wodurch in vorteilhafter Weise eine relevante Menge an Restgas in dem Brennraum zurückgehalten werden kann. Durch eine Verkürzung der Öffnungsdauer für das Auslassventil (um vorzugsweise zwischen 25°KW und 35°KW, insbesondere um 30°KW) während des ersten Betriebszustands im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand mit dem Ziel, das relativ frühe Schließen des Auslassventils zu erreichen, kann dabei vermieden werden, dass sich gleichzeitig mit diesem relativ frühen Schließen des Auslassventils auch das Öffnen des Auslassventils zeitlich ändert, d.h. nach vorne verlagert.
  • Alternativ (oder ergänzend) kann zu demselben Zweck (Restgasrückhalt) auch vorgesehen sein, dass das Auslassventil während des Ansaugtakts ein zweites Mal geöffnet wird (sogenanntes zweites Event), wodurch Restgas aus dem Abgasstrang und insbesondere aus einem sich unmittelbar an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgaskrümmer des Abgasstrangs in den Brennraum angesaugt werden kann.
  • Durch das in dem Brennraum verbliebene Restgas, das als aus einer Verbrennung stammendes Abgas eine relativ hohe Temperatur aufweist, kann ein Verdampfen des sich kurz darauf in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs und damit die Gemischbildung positiv beeinflusst werden, wodurch das durch die Spätverstellung negativ beeinflusste Betriebsverhalten (Laufruhe) des Verbrennungsmotors zumindest teilweise kompensiert werden kann. Die diesbezügliche Wirkung eines relativ frühen Schließens des Auslassventils noch während des Ausstoßtakts im Vergleich zu einem zweiten Öffnen während des Ansaugtakts ist dabei grundsätzlich vorteilhafter, weil auf diese Weise ergänzend erreicht wird, dass das in dem Brennraum zurückgehalten Restgas in dem noch andauernden Verdichtungstakt verdichtet wird, wodurch sich u.a. dessen Temperatur zusätzlich erhöht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine im Vergleich zum Stand der Technik relativ stark ausgeprägte Spätverstellung des Zündwinkels (und damit eine entsprechend ausgeprägte Anhebung der Abgastemperatur), ohne dass dadurch das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors inakzeptabel würde. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, den Zündwinkel auf 30°KW nach LW-OT oder später, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 30°KW und 35°KW nach LW-OT, einzustellen. Im Vergleich dazu liegt ein Grenzwert für eine Spätverstellung des Zündwinkels bei konventionellen Verfahren, die auf eine gezielte Erhöhung der Abgastemperatur mittels Spätverstellung des Zündwinkels basieren, regelmäßig im Bereich zwischen 20°KW und 25°KW nach LW-OT
  • Da sich die für den ersten Betriebszustand vorgesehene Spätverstellung des Zündwinkels (gezielt) negativ auf den Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors auswirkt, sollte diese Maßnahme nur solange vorgesehen sein, wie durch die Erhöhung der Abgastemperatur ein relevanter Nutzen, insbesondere ein Aufheizen einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung, im relevanten Maße erzielt werden kann. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass bei einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, die oberhalb des Grenzwerts oder des Grenzwertbereichs liegt, der zweite Betriebszustand eingestellt wird, in dem der Zündwinkel relativ früh beziehungsweise in einem normalen Zeitfenster und insbesondere hinsichtlich eines möglichst hohen Wirkungsgrads für den Betrieb des Verbrennungsmotors eingestellt sein kann.
  • Als vorteilhaft hinsichtlich der Erzielung einer möglichst weitgehenden Spätverstellung des Zündwinkels bei gleichzeitig ausreichender Laufruhe des Verbrennungsmotors hat sich gezeigt, wenn, wie es vorzugsweise vorgesehen ist, in dem ersten Betriebszustand das Auslassventil während des Ausstoßtakts spätestens 30°KW vor LW-OT, insbesondere zwischen 90°KW und 30°KW vor LW-OT, geschlossen wird. Die Öffnungsdauer des Auslassventils kann bei einem Betrieb gemäß dem ersten Betriebszustand insbesondere 150°KW± 10°KW betragen.
  • Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen (fremdgezündeten) Viertakt-Verbrennungsmotor, insbesondere einen Viertakt-Hubkolbenmotor (z.B. Ottomotor), der einen Brennraum ausbildet, wobei dem Brennraum
    • - ein Einlassventil zum gesteuerten Einbringen von Frischgas in den Brennraum,
    • - ein Auslassventil zum gesteuerten Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum,
    • - ein Injektor zum (direkten) Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum und
    • - eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum zugeordnet ist. Das Einlassventil und das Auslassventil sind mittels eines Ventiltriebs betätigbar, der derart ausgebildet ist, dass zumindest für das Auslassventil eine Variation der Ventilbetätigung möglich ist. Gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine noch durch eine Steuerungsvorrichtung (zur Ansteuerung zumindest des Ventiltriebs, des Injektors und der Zündvorrichtung), die derart programmiert ist, dass diese ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Betriebszustand ein (erstes) Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum während des Ausstoßtakts (und damit vor LW-OT) erfolgt. In Verbindung mit dem Restgasrückhalt im Brennraum, der durch das relativ frühe Schließen des Auslassventils in dem ersten Betriebszustand erreicht wird, kann dieser noch während des Ausstoßtakts eingebrachte Kraftstoff vorteilhaft verdampfen sowie sich innerhalb des Brennraums vorteilhaft verteilen, was sich wiederum positiv auf die Laufruhe des Verbrennungsmotors trotz der vorgesehenen Spätverstellung des Zündwinkels auswirkt.
  • Bei dem noch während des Ausstoßtakts eingebrachten Kraftstoff kann es sich insbesondere um eine Teilmenge des Kraftstoffs, der insgesamt für ein Arbeitsspiel in den Brennraum eingebracht werden soll, handeln, so dass vorzugsweise noch mindestens ein weiteres Einbringen von Kraftstoff vorgesehen ist. Insbesondere kann in dem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein weiteres (zweites) Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum während des Ansaugtakts des Arbeitsspiels und/oder ein weiteres (zweites oder drittes) Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum während des Verdichtungstakts des Arbeitsspiels erfolgen.
  • Zur Verkürzung der Öffnungsdauer für das Auslassventil in dem ersten Betriebszustand im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass für ein Umschalten zwischen den Betriebszuständen zwischen der Verwendung von zwei unterschiedlichen Nocken einer Nockenwelle des Ventiltriebs, die zur Betätigung des Auslassventils vorgesehen sind, gewechselt wird. Auf diese Weise ist ein Verkürzen der Öffnungsdauer mit einem relativ geringen Aufwand auch bei einem herkömmlichen, auf einer oder mehreren Nockenwellen basierenden Ventiltrieb vorteilhaft möglich. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann hierzu zwei unterschiedliche, dem Auslassventil zugeordnete Nocken einer Nockenwelle des Ventiltriebs sowie eine Wechselvorrichtung zum Wechseln des mit dem Auslassventil zusammenwirkenden Nockens umfassen.
  • Alternativ besteht auch die Möglichkeit, einen andersartigen Ventiltrieb, der zumindest hinsichtlich der Öffnungsdauer für das Auslassventil veränderbar ist, einzusetzen. Insbesondere kann ein vollvariabler Ventiltrieb, der beispielsweise durch die Verwendung elektromagnetischer Aktuatoren zur Betätigung der Gaswechselventile (zumindest des/der Auslassventile) umsetzbar ist, eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Betriebszustand das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mager (z.B. zwischen λ = 1,05 und λ = 1,1) eingestellt wird. Dies ermöglicht ebenfalls ein Erhöhen der Enthalpie des Abgases sowie ein Vermeiden eines Durchbruchs von Schadstoffen durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung der Brennkraftmaschine, was auf nachträgliche Oxidation von Schadstoffen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid (CO), in dem Abgasstrang mit infolge der mageren Verbrennung noch in dem Abgas befindlichem Sauerstoff zurückzuführen ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
  • Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Hybridfahrzeug handeln, das folglich neben der Brennkraftmaschine zusätzlich noch zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (d.h. einen Elektromotor, der zur direkten oder indirekten Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen ist) umfasst. Da im Betrieb solcher Hybridfahrzeuge die zugehörigen Brennkraftmaschinen relativ häufig ausgeschaltet sind, stellt sich in erheblichem Maße die Problematik, dass diese, wenn sie in Betrieb genommen werden, Betriebstemperaturen aufweisen, die unterhalb der für ein möglichst optimales Schadstoffemissionsverhalten erforderlichen Temperaturen liegen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Steuerungsvorrichtung mit einem Speicher, wobei in dem Speicher ein Computerprogramm hinterlegt ist, bei dessen Ausführung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
  • Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einer Steuerungsvorrichtung (Computer) einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgeführt wird.
  • Gemäß der Erfindung gilt ein Gaswechselventil und insbesondere ein Auslassventil als geöffnet, wenn der Öffnungshub, bezogen auf die vollständig geschlossene Stellung, in der das Gaswechselventil vollständig an dem Ventilsitz anliegt, mehr als einen Millimeter beträgt. Dementsprechend gilt ein Gaswechselventil bereits dann als geschlossen, wenn der Öffnungshub einen Millimeter oder weniger beträgt. Diese Definition beruht darauf, dass bei einem Öffnungshub, der einen Millimeter oder weniger beträgt, der dabei schon oder noch stattfindende Gaswechsel vergleichsweise gering ist, während gleichzeitig der Gradient, mit der ein Gaswechselventil beim Öffnen ausgehend von der vollständig geschlossenen Stellung bis zum Erreichen eines Öffnungshubs von einem Millimeter sowie beim Schließen ausgehend von einem Öffnungshub von einem Millimeter bis zum Erreichen der vollständig geschlossenen Stellung im Vergleich zu dem dazwischen liegenden Öffnen getätigt wird, regelmäßig relativ klein ist, wodurch zu große Beschleunigungen der Gaswechselventile vermieden werden sollen. Für den tatsächlich durch ein Gaswechselventil gesteuerten Gaswechsel ist somit die Öffnungsphase, die sich ausgehend von einem Öffnungshub von einem Millimeter beim Öffnen bis hin zu einem Öffnungshub von einem Millimeter beim Schließen erstreckt, von maßgeblicher Bedeutung.
  • Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
    • 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung;
    • 2: in einem schematischen Längsschnitt den Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine gemäß der 1;
    • 3: eine Wechselvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß der 1 in einer schematischen Darstellung;
    • 4: die Steuerzeiten, Einspritzzeiten sowie den Zündwinkel bei einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß dem ersten und zweiten Betriebszustand;
    • 5: in einem Diagramm den Verlauf der Temperatur des Abgases (TA in °C) vor der Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine über dem Abgasenthalpiestrom (H in kW) vor der Turbine bei einem erfindungsgemäßen Betrieb im Vergleich zu dem entsprechenden Verlauf bei einem konventionellen Betrieb;
    • 6: in einem Diagramm den Verlauf der Standardabweichung für den indizierten Mitteldruck in den Brennräumen (Σpmi in bar) über dem Abgasenthalpiestrom (H in kW) vor der Turbine bei einem erfindungsgemäßen Betrieb im Vergleich zu dem entsprechenden Verlauf bei einem konventionellen Betrieb;
    • 7: in einem Diagramm den Verlauf der HC-Konzentration im Abgas (in ppm) über dem Abgasenthalpiestrom (H in kW) vor der Turbine bei einem erfindungsgemäßen Betrieb im Vergleich zu dem entsprechenden Verlauf bei einem konventionellen Betrieb;
    • 8: in einem Diagramm den Verlauf der NO-Konzentration im Abgas (in ppm) über dem Abgasenthalpiestrom (H in kW) vor der Turbine bei einem erfindungsgemäßen Betrieb im Vergleich zu dem entsprechenden Verlauf bei einem konventionellen Betrieb;
    • 9: in einem Diagramm den Verlauf der CO-Konzentration im Abgas (in %) über dem Abgasenthalpiestrom (H in kW) vor der Turbine bei einem erfindungsgemäßen Betrieb im Vergleich zu dem entsprechenden Verlauf bei einem konventionellen Betrieb;
    • 10: in einem Diagramm den Verlauf der Partikelanzahl im Abgas (PN in 1000000/cm3) über dem Abgasenthalpiestrom (H in kW) vor der Turbine bei einem erfindungsgemäßen Betrieb im Vergleich zu dem entsprechenden Verlauf bei einem konventionellen Betrieb; und
    • 11: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
  • In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 70 dargestellt. Mittels der Brennkraftmaschine 70 kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug gemäß der Fig. 11angetrieben werden.
  • Die Brennkraftmaschine 70 umfasst einen in weiteren Details auch in der 2 dargestellten Verbrennungsmotor 10, der nach dem Otto-Prinzip betreibbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 bildet in einem Verbund aus Zylinderkurbelgehäuse 12 und Zylinderkopf 14 mehrere (hier: vier) Zylinder 16 aus. Die Zylinder 16 sind einlassseitig mit einem Saugrohr 18 eines Frischgasstrangs und auslassseitig mit einem Abgaskrümmer 20 eines Abgasstrangs der Brennkraftmaschine 70 gasführend verbunden. In bekannter Weise wird in Brennräumen 22, die von den Zylindern 16 zusammen mit darin geführten Kolben 24 sowie dem Zylinderkopf 14 begrenzt sind, Frischgas (im Wesentlichen Luft) mit Kraftstoff verbrannt. Der (flüssige) Kraftstoff wird dazu mittels Injektoren 26 direkt in die Brennräume 22 eingespritzt und mittels Zündvorrichtungen 74 (Zündkerzen) gezündet. Das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs entstehende Abgas wird über den Abgasstrang abgeführt.
  • Die Zufuhr des Frischgases in die Brennräume 22 und die Abfuhr des Abgases aus den Brennräumen 22 wird über vier Gaswechselventile, nämlich zwei Einlassventile 28 und zwei Auslassventile 30, je Brennraum 22 gesteuert, die von einem in der 1 nicht dargestellten Ventiltrieb des Verbrennungsmotors 10 betätigt werden. Der Ventiltrieb umfasst gemäß der 2 eine Kurbelzapfen 32 ausbildende Kurbelwelle 34, wobei die Kurbelzapfen 32 mit den Kolben 24 über Pleuel 36 verbunden sind. Dadurch werden Linearbewegungen der Kolben 24 in eine Rotation der Kurbelwelle 34 gewandelt, wobei die Rotation der Kurbelwelle 34 wiederum einen periodischen Richtungswechsel der Linearbewegungen der Kolben 24 bewirkt. Die Rotation der Kurbelwelle 34 wird zudem über ein Steuergetriebe, beispielsweise ein Zahnriemengetriebe 38, direkt oder indirekt auf zwei Nockenwellen 40 übertragen, von denen jede über beispielsweise Kipp- oder Schlepphebel (nicht dargestellt) zwei Gaswechselventile 28, 30 je Brennraum 22 betätigt. Von den Nockenwellen 40 ist eine als Einlassnockenwelle ausgebildet, d.h. diese betätigt alle Einlassventile 28, während die andere als Auslassnockenwelle ausgebildet ist und folglich alle Auslassventile 30 betätigt.
  • Die Brennkraftmaschine 70 umfasst weiterhin einen Abgasturbolader. Dieser weist eine in den Abgasstrang integrierte Turbine 42 sowie einen in den Frischgasstrang integrierten Verdichter 44 auf. Ein von dem Abgasstrom rotierend angetriebenes Laufrad der Turbine 42 treibt über eine Welle 46 ein Laufrad des Verdichters 44 an. Die so bewirkte Rotation des Laufrads des Verdichters 44 verdichtet das durch diesen hindurch geführte Frischgas. Mittels eines Wastegates 48 kann eine Ladedruckbegrenzung erzielt werden, indem in einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit hohen Drehzahlen und/oder Lasten ein Teil des Abgasstroms an der Turbine 42 vorbei geführt wird. Weiterhin ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50, beispielsweise in Form eines Dreiwegekatalysators, in den Abgasstrang integriert.
  • Der Verbrennungsmotor 10 kann weiterhin für die Nockenwellen 40 jeweils einen von einer Steuerungsvorrichtung 52 (Motorsteuerung) angesteuerten Phasensteller 54 umfassen. Durch die Phasensteller 54 wird ermöglicht, die Steuerzeiten und damit die Öffnungsphasen der dazugehörigen Gaswechselventile 28, 30 zu verändern und konkret zu verschieben. die Phasensteller 54 können in bekannter Weise (vgl. beispielsweise DE 10 2013 223 112 A1 ) in jeweils ein Getrieberad 56 der Nockenwellen 40 integriert sein.
  • Die Brennkraftmaschine 70 umfasst weiterhin noch eine Wechselvorrichtung 58, mittels der zumindest für die Auslassventile 30 von einer Betätigung mittels eines ersten Nockens 60 zu einer Betätigung mittels eines zweiten Nockens 62 umgeschaltet werden kann. Diese Wechselvorrichtung 58 ist ebenfalls von der Steuerungsvorrichtung 52 ansteuerbar und in der 2 nur schematisch angedeutet. Die Funktion der Wechselvorrichtung 58 beruht auf einer längsaxialen Verschiebbarkeit von hülsenförmigen Nockenträgern 64 (vgl. auch 3), die drehfest auf einer Grundwelle 66 angeordnet sind. Ein Verschiebung der Nockenträger 64 erfolgt mittels jeweils eines Wechselaktuators 68, wobei die Nockenträger 64 für jedes der von diesen betätigbaren Auslassventile 30 zwei unterschiedliche Nocken 60, 62 aufweisen, die in Abhängigkeit von den eingestellten Verschiebestellungen der Nockenträger 64 alternativ mit den dazugehörigen Auslassventilen 30 zusammenwirken.
  • In dem Ausgestaltungsbeispiel, wie es in der 3 dargestellt ist, umfasst jeder der Nockenträger 40 insgesamt vier Nockenpaare, die jeweils einem Auslassventil 30 der Brennkraftmaschine 70 zugeordnet sind. Mittels der Nocken 60, 62, die von einem derartigen Nockenträger 64 ausgebildet sind, werden somit die Auslassventile 30 von insgesamt zwei benachbarten Zylindern 16 eines Verbrennungsmotors 10 gemäß den 1 und 2, bei dem jedem Zylinder 16 zwei Einlassventile 28 und zwei Auslassventile 30 zugeordnet sind, betätigt. Zwischen den beiden den Auslassventilen 30 eines ersten Zylinders 16 zugeordneten Nockenpaaren und den beiden den Auslassventilen 30 eines zweiten Zylinders 16 zugeordneten Nockenpaaren bildet der Nockenträger 64 weiterhin noch eine Schaltkulisse in Form einer Y-förmigen Führungsnut 70 aus. Durch ein Zusammenwirken dieser Führungsnut 70 mit Mitnehmern 72 des zugehörigen Umschaltaktuators 68 kann der Nockenträger 64 axial um die Distanz x verschoben und dadurch jeweils ein ausgewählter Nocken 60, 62 jedes Nockenpaars mit dem dazugehörigen Auslassventil 30 in Wirkverbindung gebracht werden. Gemäß der 3 kann hierzu beispielsweise ausgehend von der dargestellten Funktionsstellung, in der die Auslassventile 30 jeweils mit dem rechten Nocken 60 jedes Nockenpaars in Wirkverbindung stehen, der rechte Mitnehmer 72 ausgefahren und der Nockenträger 64 dadurch, im Zusammenwirken mit seiner Rotation (in der 3 nach oben) um die Distanz x nach rechts verschoben werden. Infolge des Auslaufens der Y-förmigen Führungsnut 70 in dem mittleren, in der 3 unteren Abschnitt wird der rechte Mitnehmer 72 dabei wieder in die eingefahrene Stellung zurückbewegt. Nach einem solchen Verschieben des Nockenträgers 64 um die Distanz x befinden sich dann jeweils die linken Nocken 62 jedes Nockenpaars in Wirkverbindung mit dem dazugehörigen Auslassventil 30. Ein solches Verschieben des Nockenträgers 64 um die Distanz x nach rechts führt weiterhin dazu, dass der linke Mitnehmer 72 in Überdeckung mit dem linken Abschnitt der Y-förmigen Führungsnut 70 gebracht wurde, so dass durch ein Ausfahren dieses Mitnehmers 72 der Nockenträger 64 wieder um die Distanz x nach links verschoben werden kann.
  • Für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 70 gemäß beispielsweise den 1 bis 3 sind mindestens zwei Betriebszustände vorgesehen. Die erfindungsgemäß relevanten Unterschiede zwischen diesen zwei Betriebszustände sind in der 4 dargestellt. Die 4 zeigt dabei in einem Doppeldiagramm über dem Verlauf von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle (720°KW) und damit über dem Verlauf eines Arbeitsspiels in einem Brennraum 22 des Verbrennungsmotors 10 für die beiden Betriebszustände (BZ) jeweils die Öffnungszeiten für die Einlassventile 28 (zwischen dem Öffnungszeitpunkt EO der Einlassventile 28 und dem Schließzeitpunkt ES der Einlassventile 28) sowie für die Auslassventile 30 (zwischen dem Öffnungszeitpunkt AO der Auslassventile 30 und dem Schließzeitpunkt AS der Auslassventile 30), weiterhin die Zeiten, zu denen Kraftstoff in den Brennraum 22 eingespritzt wird (IN), sowie den Zeitabschnitt, innerhalb dessen der Zündwinkel (ZW) eingestellt sein kann. Dabei zeigt die untere Hälfte (Zeile) des Diagramms die entsprechenden Werte für den ersten Betriebszustand (1. BZ) und die obere Hälfte (Zeile) diejenigen für den zweiten Betriebszustand (2. BZ).
  • Der erste Betriebszustand ist immer dann vorgesehen, wenn mindestens eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 70, beispielsweise eine an einer oder mehreren Stellen gemessene (und gegebenenfalls gemittelte) Temperatur eines Kühlmittels für ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine 70 und/oder eine an einer oder mehreren Stellen gemessene (und gegebenenfalls gemittelte) Temperatur eines Schmiermittels (z.B. Motoröl) der Brennkraftmaschine 70, unterhalb eines definierten Grenzwerts liegt. Damit ist insbesondere auch vorgesehen, dass immer nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 70 der erste Betriebszustand eingestellt wird. Unter Umständen kann ergänzend vorgesehen sein, dass der erste Betriebszustand auch dann eingestellt wird, wenn die Betriebstemperatur infolge eines Betriebs des zuvor schon betriebswarmen Verbrennungsmotors 10 mit geringer Last und geringen Drehzahlen (und gegebenenfalls auch infolge sehr niedriger Außentemperaturen) unter den definierten Grenzwert abfällt.
  • Ein Betrieb der Brennkraftmaschine 70 gemäß dem ersten Betriebszustand erfolgt primär mit dem Ziel, eine relativ hohe Temperatur des von dem Verbrennungsmotor 10 in den Abgasstrang abgeführten Abgases zu erreichen, wodurch ein möglichst schnelles Aufheizen der in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 bis zum Erreichen von dessen Betriebstemperaturbereich, dessen unterer Grenzwert von der sogenannten Anspring- beziehungsweise Light-Off-Temperatur definiert ist, erzielt beziehungsweise ein Absinken der Temperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 unter diesen Betriebstemperaturbereich verhindert werden soll. Die relativ hohe Temperatur des Abgases wird dabei hauptsächlich dadurch erzielt, dass der Zündwinkel, zu dem in den einzelnen Arbeitsspielen, die in den verschiedenen Brennräumen 22 durchgeführt werden, die Zündung des jeweiligen Kraftstoff-Frischgas-Gemischs initiiert wird, relativ spät eingestellt wird (beispielsweise bei zwischen 25°KW und 35°KW nach Z-OT gemäß der 4). Da mit zunehmender Spätverstellung des Zündwinkels grundsätzlich die Zündwilligkeit des in dem Brennraum 22 befindlichen Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und damit infolge von möglichen Zündaussetzern die Laufruhe des Verbrennungsmotors 10 abnimmt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 70 gemäß dem ersten Betriebszustand zudem ein relativ frühes Schließen der Auslassventile 30 (beispielsweise ca. 45°KW vor LW-OT gemäß der 4) zu bewirken, wodurch eine erhebliche Menge an Restgas in dem jeweiligen Brennraum 22 verbleibt, das anschließend im Rahmen des noch andauernden Ausstoßtakts noch verdichtet wird. Dieses heiße Restgas verbessert die Zündwilligkeit für das anschließend in diesem Brennraum 22 durch das Einbringen von Kraftstoff und das Ansaugen von Frischgas zu erzeugende Kraftstoff-Frischgas-Gemisch, wodurch die durch die Spätverstellung des Zündwinkels reduzierte Zündwilligkeit zumindest teilweise kompensiert wird.
  • Eine weitere Verbesserung der Zündwilligkeit wird bei einem Betrieb gemäß dem ersten Betriebszustand zudem dadurch erreicht, dass (bei bereits geschlossenen Auslassventilen 30) noch während des Ausstoßtakts ein Einbringen einer ersten Teilmenge des für die Erzeugung des im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels zu zündenden Kraftstoff-Frischgas-Gemischs vorgesehenen Kraftstoffs begonnen wird. Diese in das heiße Restgas eingebrachte Teilmenge des Kraftstoffs verdampft verhältnismäßig gut, was sich wiederum positiv auf die Zündwilligkeit auswirkt. Zudem kann für diese Teilmenge des Kraftstoffs infolge der noch relativ langen Dauer bis zur vorgesehenen Zündung eine möglichst homogene Verteilung innerhalb des Brennraums 22 erreicht werden.
  • Die Restmenge des Kraftstoffs kann bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 70 gemäß dem ersten Betriebszustand anschließend in ein oder zwei weiteren Einspritzungen in den Brennraum 22 eingebracht werden. Sind zwei weitere Einspritzung vorgesehen, erfolgt davon vorzugsweise eine während des Ansaugtakts und die andere während des Verdichtungstakts. Ist dagegen nur eine weitere Einspritzung vorgesehen, kann diese entweder während des Ansaugtakts oder während des Verdichtungstakts durchgeführt werden.
  • In dem zweiten Betriebszustand, der immer bei ausreichend betriebswarmem Verbrennungsmotor 10 und insbesondere auch bei ausreichend betriebswarmer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 vorgesehen ist, liegt der Zündwinkel im Vergleich zu dem ersten Betriebszustand deutlich früher, beispielsweise gemäß der 4 zwischen ca. 50°KW vor Z-OT und 10°KW nach Z-OT, wobei eine Variation des Zündwinkels in diesem Bereich in Abhängigkeit von der tatsächlich anliegenden Last und Drehzahl sowie in Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen vorgesehen sein kann.
  • Weiterhin ist in dem zweiten Betriebszustand im Vergleich zu dem ersten Betriebszustand eine um ca. 30°KW längere Öffnungsdauer für die Auslassventile 30 vorgesehen, die, unter Berücksichtigung der im Wesentlichen gleichen Öffnungszeitpunkte (AO ) in dem ersten und zweiten Betriebszustand zu einem um 30°KW späteren Schließen der Auslassventile 30 führt. Auf diese Weise kann eine negative Beeinflussung des Betriebsverhaltens und insbesondere der Leistungsentfaltung des Verbrennungsmotors 10 infolge von erheblichen Restgasmengen, insbesondere bei einem Betrieb mit relativ hohen Lasten und/oder Drehzahlen, vermieden werden. Da der Zündwinkel gleichzeitig jedoch relativ früh und insbesondere soweit wie möglich hinsichtlich eines maximalen Wirkungsgrads für die Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs eingestellt ist, ist die vorteilhafte Wirkung des Restgases, die in dem ersten Betriebszustand in Kombination mit dem relativ späten Zündwinkel erreicht wird, in dem zweiten Betriebszustand nicht erforderlich.
  • In dem zweiten Betriebszustand kann lediglich eine Einspritzung von Kraftstoff vorgesehen sein, die insbesondere während des Ansaugtakts stattfinden kann.
  • Die Änderung zwischen der relativ kurzen Öffnungsdauer für die Auslassventile 30 gemäß dem ersten Betriebszustand und der relativ langen Öffnungsdauer gemäß dem zweiten Betriebszustand erfolgt durch einen Wechsel der die Auslassventile 30 betätigenden Nocken 60, 62 mittels einer Wechselvorrichtung 58 einer Brennkraftmaschine gemäß beispielsweise den 2 und 3.
  • Die 5 bis 10 verdeutlichen für ein Ausführungsbeispiel in verschiedenen Diagrammen die Vorteile, die sich durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ergeben können. Folgende Betriebsparameter für den Verbrennungsmotor 10 lagen dabei vor: Betriebsdrehzahl n = 1200 1/min, effektiver Mitteldruck pme = 2 bar und Luftverhältnis λ = 1,1. Die mit durchgezogenen Linien gezeichneten Kurven zeigen jeweils diejenigen Verläufe für die verschiedenen Werte, die sich bis zum Erreichen eines Zielwerts für den Enthalpiestrom H des Abgases vor der Turbine von 20 kW eingestellt haben, wenn erfindungsgemäß infolge der Kombination mit einer relativ kurzen Öffnungsdauer für die Auslassventile von 150°KW eine vergleichsweise weitgehende Spätverstellung für den Zündwinkels realisiert werden konnte. Im Vergleich dazu zeigen die mit gestrichelten Linien gezeichneten Kurven die entsprechenden Werteverläufe, die bei einer „normalen“ (und beispielsweise auch für den erfindungsgemäßen zweiten Betriebszustand vorgesehenen) Öffnungsdauer von 180°KW bei dann weitestmöglicher Spätverstellung des Zündwinkels (vor dem Hintergrund einer noch akzeptablen Laufruhe des Verbrennungsmotors 10) erzielt werden. Zu erkennen ist, dass sich bei dem Zielwert von 20 kW eine Verbesserung durch das erfindungsgemäße Vorgehen insbesondere hinsichtlich der Partikelanzahl PN, der CO-Konzentration sowie der HC-Konzentration einstellt, während sich die NO-Konzentration verschlechtern kann.
  • Die 11 zeigt noch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug (Hybridfahrzeug) mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 70 gemäß beispielsweise den 1 bis 3 sowie mit einem elektrischen Traktionsmotor 72.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Zylinderkurbelgehäuse
    14
    Zylinderkopf
    16
    Zylinder
    18
    Saugrohr
    20
    Abgaskrümmer
    22
    Brennraum
    24
    Kolben
    26
    Injektor
    28
    Gaswechselventil / Einlassventil
    30
    Gaswechselventil / Auslassventil
    32
    Kurbelzapfen
    34
    Kurbelwelle
    36
    Pleuel
    38
    Zahnriemengetriebe
    40
    Nockenwelle
    42
    Turbine
    44
    Verdichter
    46
    Welle
    48
    Wastegate
    50
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    52
    Steuerungsvorrichtung
    54
    Phasensteller
    56
    Riemenrad
    58
    Wechselvorrichtung
    60
    erster Nocken
    62
    zweiter Nocken
    64
    Nockenträger
    66
    Grundwelle
    68
    Wechselaktuator
    70
    Brennkraftmaschine
    72
    elektrischer Traktionsmotor
    74
    Zündvorrichtung
    AO
    Öffnungszeitpunkt eines Auslassventils
    AS
    Schließzeitpunkt eines Auslassventils
    BZ
    Betriebszustand
    EO
    Öffnungszeitpunkt eines Einlassventils
    ES
    Schließzeitpunkt eines Einlassventils
    H
    Enthalpiestrom des Abgases
    IN
    Kraftstoffeinspritzung
    PN
    Partikelanzahl
    n
    Betriebsdrehzahl
    pme
    effektiver Mitteldruck
    TA
    Temperatur des Abgases
    ZW
    Zündwinkel
    Σpmi
    Standardabweichung für den indizierten Mitteldruck
    λ
    Luftverhältnis
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 0008328 A1 [0004]
    • EP 0982489 A2 [0004]
    • WO 0057045 A1 [0004]
    • DE 10236856 A1 [0005]
    • US 6386177 B2 [0006]
    • WO 2012/045850 A2 [0007]
    • DE 102013223112 A1 [0037]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (70) mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor (10), der einen Brennraum (22) ausbildet, wobei dem Brennraum (22) - ein Einlassventil (28) zum gesteuerten Einbringen von Frischgas in den Brennraum (22), - ein Auslassventil (30) zum gesteuerten Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (22), - ein Injektor (26) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum (22) und - eine Zündvorrichtung (74) zum Zünden eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Brennraum (22) zugeordnet ist, wobei das Einlassventil (28) und das Auslassventil (30) mittels eines Ventiltriebs betätigbar sind, der derart ausgebildet ist, dass zumindest für das Auslassventil (30) eine Variation der Ventilbetätigung möglich ist, und wobei das Zünden mittels der Zündvorrichtung (74) zu einem definierten Zündwinkel je Arbeitsspiel initiiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Betriebszustand und ein zweiter Betriebszustand vorgesehen sind, wobei in dem ersten Betriebszustand einerseits das Auslassventil (30) während eines Ausstoßtakts des Arbeitsspiels infolge einer relativ kurzen Öffnungsdauer relativ früh im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand geschlossen und/oder das Auslassventil (30) während des Ansaugtakts ein zweites Mal geöffnet wird sowie andererseits der Zündwinkel auf relativ spät im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand eingestellt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - bei einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (70), die unterhalb eines Grenzwerts oder eines Grenzwertbereichs liegt, der erste Betriebszustand eingestellt wird und - bei einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (70), die oberhalb des Grenzwerts oder des Grenzwertbereichs liegt, der zweite Betriebszustand eingestellt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (70) nach einem Kaltstart zeitweise indem ersten Betriebszustand betrieben wird, bevor auf einen Betrieb gemäß dem zweiten Betriebszustand umgeschaltet wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand das Auslassventil (30) während des Ausstoßtakts spätestens 30°KW vor LW-OT geschlossen wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand der Zündwinkel auf 30°KW nach Z-OT oder später eingestellt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand die Öffnungsdauer des Auslassventils (30) auf 150°KW ± 10°KW eingestellt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand ein Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (22) während des Ausstoßtakts erfolgt.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand ein Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (22) während des Ansaugtakts des Arbeitsspiels und/oder während des Verdichtungstakts des Arbeitsspiels erfolgt.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand zwischen der Verwendung von zwei unterschiedlichen Nocken (60, 62) einer Nockenwelle (40) des Ventiltriebs zur Betätigung des Auslassventils (30) gewechselt wird.
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mager eingestellt wird.
  11. Brennkraftmaschine (70) mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor (10), der einen Brennraum (22) ausbildet, wobei dem Brennraum (22) - ein Einlassventil (28) zum gesteuerten Einbringen von Frischgas in den Brennraum (22), - ein Auslassventil (30) zum gesteuerten Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (22), - ein Injektor (26) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum (22) und - eine Zündvorrichtung (74) zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum (22) zugeordnet ist, wobei das Einlassventil (28) und das Auslassventil (30) mittels eines Ventiltriebs betätigbar sind, der derart ausgebildet ist, dass zumindest für das Auslassventil (30) eine Variation der Ventilbetätigung möglich ist, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung (52), die derart programmiert ist, dass diese ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen kann.
  12. Brennkraftmaschine (70) gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine in einen Abgasstrang für den Verbrennungsmotor (10) integrierte Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50).
  13. Brennkraftmaschine (70) gemäß Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch zwei unterschiedliche, dem Auslassventil (30) zugeordnete Nocken (60, 62) einer Nockenwelle (40) des Ventiltriebs und eine Wechselvorrichtung (58) zum Wechseln des mit dem Auslassventil (30) zusammenwirkenden Nockens (60, 62).
  14. Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (70) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13.
  15. Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen elektrischen Traktionsmotor (72).
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