DE102017222693B4

DE102017222693B4 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102017222693B4
Application number: DE102017222693.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gutzer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: DE102017222693A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (1) aufweisend- mindestens einen Brennraum (2) mit mindestens einem Einlassventil (3) und mindestens einem Auslassventil (4),- mindestens eine Abgasrückführleitung (5), durch welche Abgas von dem Auslassventil (3) zu dem Einlassventil (4) rückgeführt werden kann,- mindestens eine Einrichtung (6) zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses (29) zwischen einem minimalen Brennraumvolumen (13) und einem maximalen Brennraumvolumen (14) in dem mindestens einen Brennraum (2),- mindestens einen steuerbaren Ventilantrieb (9) zur Steuerung des Einlassventils (3) und des Auslassventils (4), um eine interne Abgasrückführrate festzulegen,- mindestens eine Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Abgasrückführleitung (5), um eine externe Abgasrückführrate festzulegen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:a) Festlegen eines Zielverdichtungsverhältnisses (29),b) Festlegen einer Zieltemperatur eines zündfähigen Gemisches in einem Verdichtungsendzustand,c) Berechnen einer internen Abgasrückführrate (11) und einer externen Abgasrückführrate (12) in Abhängigkeit von der Zieltemperatur, undd) Ansteuern des mindestens einen steuerbaren Ventilantriebs (9) und der mindestens einen Steuereinrichtung (10), um die in Schritt c) berechnete interne Abgasrückführrate (11) und die externe Abgasrückführrate (12) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, welches insbesondere zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit variabler Verdichtung geeignet ist, sowie eine Verbrennungskraftmaschine und ein Kraftfahrzeug. Verbrennungskraftmaschinen mit variabler Verdichtung sind insbesondere mit Benzin betriebene Verbrennungskraftmaschinen. Die Bedeutung und Verbreitung von derartigen Verbrennungskraftmaschinen nimmt in der letzten Zeit zu. Solche Verbrennungskraftmaschinen haben erhebliche Potentiale der Verbrauchseinsparung gegenüber mit Benzin betriebenen Verbrennungskraftmaschinen ohne variable Verdichtung. Es ist ein besonders energieeffizienter Betrieb solcher Verbrennungskraftmaschinen möglich, wenn die Verdichtung erhöht wird. Ein Problem der variablen Verdichtung ist, dass insbesondere bei hohen Verdichtungen die übliche bei Verbrennungskraftmaschinen mit Benzinbetrieb sonst übliche Formung von Kolben und Ventilen nur schwer umsetzbar ist, weil durch die hohen Verdichtungsverhältnisse Ventil und Kolben am oberen Totpunkt näher aneinander gelangen.
Aus der US 2008/0110422 A1 ist ein Steuersystem für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt. Aus der DE 10 2007 030 280 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt. Aus der DE 10 2015 216 293 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt. Aus der DE 10 2016 006 475 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt. Aus der JP 2015-034 474 A ist eine Steuervorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine bekannt.
Hiervon ausgehend soll ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgestellt werden, darüber hinaus sollen auch eine entsprechende Verbrennungskraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug vorgestellt werden, die für einen Betrieb nach diesem Verfahren besonders geeignet sind.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 und mit einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine aufweisend mindestens einen Brennraum mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, mindestens eine Abgasrückführleitung, durch welche Abgas von dem Auslassventil zu dem Einlassventil rückgeführt werden kann, mindestens eine Einrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses zwischen einem minimalen Brennraumvolumen und einem maximalen Brennraumvolumen in dem mindestens einen Brennraum, mindestens einen steuerbaren Ventilantrieb zur Steuerung des Einlassventils und des Auslassventils, um eine interne Abgasrückführrate festzulegen, mindestens eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Abgasrückführleitung, um eine externe Abgasrückführrate festzulegen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Festlegen eines Zielverdichtungsverhältnisses,
b) Festlegen einer Zieltemperatur eines zündfähigen Gemischs in einem Verdichtungsendzustand,
c) Berechnen einer internen Abgasrückführrate und einer externen Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem Zielverdichtungsverhältnis und der Zieltemperatur, und
d) Ansteuern des mindestens einen steuerbaren Ventilantriebs und der mindestens einen Steuereinrichtung, um die in Schritt c) berechnete interne Abgasrückführrate und die externe Abgasrückführrate zu erreichen.

Um ein Aneinanderstoßen von Ventilen und Kolben in dem Zylinder bzw. dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine am oberen Totpunkt zu vermeiden, ist eine gezielte Ansteuerung von Ventilen und Kolben vorteilhaft. Die hier beschriebene Offenbarung ermöglicht es eine solche gezielte Ansteuerung in besonders vorteilhafter Weise umzusetzen.
Das hier beschriebene Verfahren betrifft den Betrieb von Brennkraftmaschinen, die drei verschiedene konkrete Merkmale aufweisen, nämlich eine Möglichkeit zur variablen Verdichtung, ein System zur Bereitstellung einer „internen“ Abgasrückführung und ein System zur Bereitstellung einer „externen“ Abgasrückführung. Diese drei Merkmale werden im Folgenden noch eingehend erläutert. Die Verbrennungskraftmaschine hat außerdem einen Brennraum mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil; bevorzugt sind Verbrennungskraftmaschinen mit Brennräumen mit jeweils zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Brennraum. Die Verbrennungskraftmaschine kann zwischen einem und zwölf Zylindern aufweisen, bevorzugt zwischen zwei und acht Zylindern.
Das System zur „externen“ Abgasrückführung umfasst bevorzugt eine Abgasrückführleitung, durch welche Abgas von dem Auslassventil zu dem Einlassventil rückgeführt werden kann. Abgasrückführleitungen sind bei Verbrennungskraftmaschinen üblich, um eine erneute Zuführung von Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine zur Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen. Auf diese Art rückgeführtes Abgas dient regelmäßig dazu, den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine in einer Teillastsituation der Verbrennungskraftmaschine teilweise auszufüllen. Das rückgeführte Abgas wirkt dann in den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine wie ein Inertgas. Dies liegt daran, dass der darin befindliche Sauerstoff bereits mit Kraftstoff reagiert hat. Durch die Abgasrückführung werden im Abgas befindliche Schadstoffe außerdem erneut hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass eine thermische Umsetzung im Abgas verbliebener Schadstoffbestandteile erfolgt. Daher dient eine Abgasrückführleitung dazu, eine Verbrennungskraftmaschine besonders sauber zu betreiben bzw. das Entstehen von Schadstoffen bereits bei der Verbrennung in den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden. Die Abgasrückführleitung ist normalerweise als ein Abzweig der Abgasbehandlungsvorrichtung ausgeführt, welcher dann zu der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine führt.
Wie bereits angegeben, ist die Verbrennungskraftmaschine darüber hinaus dazu eingerichtet, das Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen zu verändern bzw. ein variables Verdichtungsverhältnis bereit zu stellen. Konstruktionen, um ein variables Verdichtungsverhältnis einer Verbrennungskraftmaschine bereit zu stellen, sind üblicherweise mechanisch sehr anspruchsvoll. Zur Bereitstellung einer variablen Verdichtung ist es regelmäßig notwendig die gesamte Mechanik der Verbrennungskraftmaschine zu verändern. Ein möglicher Weg eine variable Verdichtung bereitzustellen, ist eine Verbrennungskraftmaschine, bei welcher die gesamte Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gegenüber dem Block, in welchem sich die Brennräume bzw. die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine befinden, nach oben oder nach unten verschiebbar ist. Wenn die Kurbelwelle komplett nach unten verschoben wird oder umgekehrt, wenn der Block komplett nach oben verschoben wird, reduziert sich das Verdichtungsverhältnis, weil dann der minimale Brennraum (an einem oberen Totpunkt) und der maximale Brennraum (an einem unteren Totpunkt) der Verbrennungskraftmaschine, beide um das selbe Volumen vergrößert sind. Dadurch wird das Verhältnis von minimalem Brennraum zu maximalem Brennraum geringer. Wenn der Block nach unten verfahren wird bzw. die Kurbelwelle relativ zu dem Block nach oben verfahren wird, dann verkleinern sich der minimale Brennraum (an einem oberen Totpunkt) und der maximale Brennraum (an einem unteren Totpunkt). Dadurch wird das Verdichtungsverhältnis zwischen dem minimalen Brennraumvolumen und dem maximalen Brennraumvolumen größer. Mit dem minimalen Brennraumvolumen am oberen Totpunkt ist üblicherweise das Brennraumvolumen gemeint, welches der Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hat, wenn Kolben der Verbrennungskraftmaschine in ihrem oberen Totpunkt positioniert sind. Das maximale Brennraumvolumen der Verbrennungskraftmaschine ist üblicherweise das Volumen, welches ein Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hat, wenn Kolben der Verbrennungskraftmaschine an ihrem unteren Totpunkt maximal weit unten positioniert sind und die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine ihr maximales Volumen aufweisen. Verbrennungskraftmaschinen mit variablem Verdichtungsverhältnis können auch mit anderen mechanischen Maßnahmen verwirklicht sein. Eine weitere Variante einer Verbrennungskraftmaschine mit variabler Verdichtung hat Pleuel variabler Länge. Pleuels bezeichnen dabei die Verbindungselemente zwischen Kolben der Verbrennungskraftmaschine und der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine.
Die Verbrennungskraftmaschine hat darüber hinaus bevorzugt steuerbare Ventilantriebe. Steuerbare Ventilantriebe sind Ventilantriebe, bei welchen die Öffnungszeitpunkte und die Schließzeitpunkte der Einlassventile und/oder der Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine nicht absolut festgelegt sind, sondern gezielt variiert werden können. Mit der Formulierung „absolut festgelegt“ ist hier gemeint, dass eine absolute Festlegung jeweils relativ zu einem aktuellen Kurbelwellenwinkel vorliegt. Ein Kurbelwellenwinkel ist in diesem Zusammenhang eine Drehlage der Kurbelwelle, mit der die Kolben und üblicherweise auch die Ventile über eine entsprechende Mechanik verbunden sind. Eine solche Mechanik verbindet die Kurbelwelle und die Ventile üblicherweise nach Art eines Getriebes. Wenn die Kolben an einer bestimmten Position sind, ist mechanisch eindeutig bestimmt, dass die Ventile ebenfalls in einer bestimmten Position (geöffnet, geschlossen, teilweise geöffnet/geschlossen) sind.
Eine absolute Festlegung der Position von Ventilen und Kolben zueinander ist regelmäßig vorteilhaft, weil Verbrennungskraftmaschinen aus verschiedenen Gründen häufig so konstruiert sind, dass Ventile und Kolben sich zeitversetzt teilweise in den selben Abschnitten des Brennraums befinden. Wären die Positionen von Kolben und Ventilen zu bestimmten Zeitpunkten (bzw. bei bestimmten Kurbelwellenwinkel) nicht eindeutig definiert, bestände die Gefahr der Kollision von Ventilen und Kolben. Dies könnte zur Zerstörung von Kolben und insbesondere Ventilen führen.
Genau eine solche absolute Festlegung existiert bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem variablen Ventilantrieb nicht, sondern es ist möglich, die Öffnungs- und Schließzeitpunkte sowie die Öffnungsweiten der Ventile gezielt und teilweise unabhängig von dem Kurbelwellenwinkel zu beeinflussen, insbesondere unabhängig davon, in welchem Zustand sich die Kurbelwelle und die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine gerade befinden. Steuerbare Ventilantriebe sind beispielsweise dazu notwendig, um eine gezielte Befüllung der Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff und/oder Luft zu erreichen bzw. Abgas aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gezielt zu bestimmten Zeitpunkten auszustoßen. Dies ermöglicht es unter anderem, auch unverbrannten Kraftstoff und unverbrannte Luft aus der Verbrennungskraftmaschine hinaus in das Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine zu fördern. Verbrennungskraftmaschinen mit variablem Ventilantrieb bzw. steuerbarem Ventilantrieb sind für sich genommen bekannter Stand der Technik.
Die Möglichkeit eines steuerbaren Ventilantriebs ermöglicht es unter anderem auch, gezielt eine sogenannte interne Abgasrückführung hervorzurufen bzw. zu fördern. Mit einer internen Abgasrückführung ist gemeint, dass durch das Auslassventil der Verbrennungskraftmaschine beim Vergrößern des Brennraums durch eine Herunterbewegung des Kolbens der Verbrennungskraftmaschine direkt Abgas angesaugt wird, welches zuvor erst von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßen wurde und sich daher noch in der Abgasleitung unmittelbar hinter dem Auslassventil befindet. Es handelt sich also um ein Rücksaugen von Abgas aus dem Abgaskanal. In Abgrenzung dazu handelt sich bei der externen Abgasrückführung bzw. der externen Abgasrückführrate um ein Zumischen von Abgas in den Einlass bzw. in die Einlassleitung der Verbrennungskraftmaschine. Eine solche interne Abgasrückführung ist besonders einfach zu realisieren, weil keine aufwendige Abgasrückführleitung notwendig ist. Eine solche interne Abgasrückführung ruft darüber hinaus besonders geringe Strömungsverluste hervor, weil das Abgas nur sehr kurze Wege durchströmen muss, um über eine interne Abgasrückführung dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine wieder zugeführt zu werden. Ein Nachteil dieser internen Abgasrückführung ist allerdings, dass auf diese Art und Weise „rückgeführtes Abgas“ normalerweise sehr hohe Temperaturen hat. Es wurde unmittelbar nach der Verbrennung zunächst ausgestoßen und dann rückwärts entgegen der hauptsächlichen Abgasströmungsrichtung wieder angesaugt. Ein Abkühlen dieses Abgases hat nicht stattgefunden. Dadurch wird durch intern rückgeführtes Abgas der Zylinder mit Gasgemisch mit einer sehr hohen Temperatur befüllt. Dies senkt normalerweise den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine. Der Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine hängt nämlich im Wesentlichen von einem Maß der Temperaturerhöhung ab, welches durch die Verbrennung erreicht wird. Je höher die Temperatur der Ausgangsstoffe der Verbrennung ist, um so geringer ist der durch die Verbrennung maximal erreichbare thermische Wirkungsgrad.
Weiterhin vorteilhaft ist die Verbrennungskraftmaschine, wenn diese zur Steuerung einer externen, gegebenenfalls gekühlten Abgasrückführung in einer Abgasrückführleitung eine Steuereinrichtung aufweist. Eine solche Steuereinrichtung kann beispielsweise durch eine Klappe oder ein Ventil in der Abgasrückführleitung realisiert sein, über welche die Menge an Abgas beeinflussbar ist, welche durch die Abgasrückführleitung rückgeführt wird.
Das hier beschriebene Verfahren zum Betrieb einer derartigen Verbrennungskraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Zielverdichtungsverhältnis festgelegt wird. Das Zielverdichtungsverhältnis ist das Verdichtungsverhältnis, was mit der Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses vorgegeben wird.
In dem Verfahren wird als nächstes (Schritt b)) eine Zieltemperatur eines zündfähigen Gemischs in einem verdichteten Zustand festgelegt. Der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine hängt (wie weiter oben bereits beschrieben) in einem wesentlichen Maße davon ab, in welchem Maße durch die Verbrennung eine Temperaturerhöhung stattfindet. Insofern ist es normalerweise (für einen besonders guten Wirkungsgrad) erforderlich, dass die Zieltemperatur im Verdichtungsendzustand besonders niedrig ist. Es kann allerdings auch Anforderungen geben, dass eine erhöhte Zieltemperatur gewünscht ist, um beispielsweise bestimmte Parameter der Abgasreinigung einzuhalten. Für die Abgasreinigung besteht häufig die Anforderung, dass das Abgas eine ausreichende Temperatur hat. Die Abgastemperatur wird in einem wesentlichen Maße auch von der Temperatur der Verbrennungsausgangsprodukte definiert.
Anschließend wird ein Verhältnis aus interner Abgasrückführrate und externer Abgasrückführrate in Abhängigkeit von Zielverdichtungsverhältnissen und Zieltemperatur bestimmt. Wie weiter oben beschrieben, hat das Abgas, welches über die interne Rückführung rückgeführt wird, normalerweise eine deutlich höhere Temperatur als das Abgas, welches über die externe Abgasrückführleitung rückgeführt wird. Durch ein gezieltes Vermischen von Abgas, welches über die interne Abgasrückführrate mit hoher Temperatur rückgeführt wird und von Abgas, welches über die externe Abgasrückführleitung mit niedriger Temperatur zurückgeführt wird, kann eine gewünschte Zieltemperatur erreicht werden. Anschließend erfolgt eine Ansteuerung des mindestens einen steuerbaren Ventilantriebs und der mindestens einen Steuereinrichtung entsprechend der bestimmten internen Abgasrückführrate und der bestimmten externen Abgasrückführrate, um exakt diese Zieltemperatur zu erreichen.
Durch dieses Verfahren wird es möglich, die Abgasrückführraten gezielt unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen einzustellen. So kann insbesondere erreicht werden, dass die Ventile der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmten Zeitpunkten nicht oder nur in einem geringeren Maße geöffnet sein müssen. Dies ermöglicht es, die maximale Verdichtung bzw. das maximale Verdichtungsverhältnis in bestimmten Betriebssituationen in einem Maße zu erhöhen, welches bei normalen Betriebsverfahren von derartigen Verbrennungskraftmaschinen ohne das beschriebene Verfahren dazu führen würde, dass bereits Kollisionen von Ventil und Kolben der Verbrennungskraftmaschine auftreten würden.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn das Zielverdichtungsverhältnis in Schritt a) in Abhängigkeit der in Schritt c) berechneten internen Abgasrückführrate und der externen Abgasrückführrate festgelegt wird.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren außerdem, wenn die Schritte a) bis c) nach Art einer Schleife wiederholt werden, wenn die interne Abgasrückführrate größer ist als ein Vorgabewert und ein Zielverdichtungsverhältnis jeweils angepasst wird, um die interne Abgasrückführrate auf den Vorgabewert zu begrenzen.
Das Ziel ist des beschriebenen Verfahrens kann geometrisch beschrieben werden. Durch eine geeignete Anpassung der Rückführraten werden reduzierte Öffnungsgrade der Ventile erreicht. Dies ermöglicht eine geringe Überschneidung von Ventilen und Kolben. Ventiltaschen im Kolben können reduziert werden. Hierdurch kann eine bessere Brennraumform erreicht werden.
Eine solche Vorgehensweise kann auch als iterative Vorgehensweise zur Festlegung des Zielverdichtungsverhältnisses bezeichnet werden. Eine solche Vorgehensweise dient dazu das Zielverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit der berechneten Abgasrückführrate festzulegen.
Für die interne Abgasrückführrate existiert ein Vorgabewert, der nicht überschritten werden darf. Der Vorgabewert richtet sich nach dem dem jeweiligen Zielverdichtungsverhältnis und dient dem Zweck Kollisionen von Kolben und Ventilen zu verhindern. Je größer das Zielverdichtungsverhältnis ist, um so enger geraten Kolben und Ventile aneinander und um so niedriger wird der Vorgabewert. Ein niedriges Zielverdichtungsverhältnis ermöglicht einen hohen Vorgabewert und eine große Abgasrückführrate.
Eine Vorgehensweise zur Wahl eines geeigneten Zielverdichtungsverhältnis muss aber nicht nach Art einer Schleife bzw. Iterativ erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein geeignetes Zielverdichtungsverhältnis, welches in einem sinnvollen Verhältnis zur internen Abgasrückführrate steht einfach abgeschätzt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn das Zielverdichtungsverhältnis in Schritt a) und die Zieltemperatur in Schritt b) in Abhängigkeit voneinander festgelegt werden.
Durch eine hohe Verdichtung steigt die Temperatur. Insofern hängen das Zielverdichtungsverhältnis und die Zieltemperatur zusammen. Wenn gemäß Schritt b) eine hohe Zieltemperatur festgelegt werden soll, kann zunächst in Schritt a) ein hohes Zielverdichtungsverhältnis festgelegt werden, um das Erreichen einer hohen Zieltemperatur zu unterstützen. Wenn gemäß Schritt b) eine niedrige Zieltemperatur festgelegt werden soll, kann zunächst in Schritt a) ein niedriges Zielverdichtungsverhältnis festgelegt werden, um das Erreichen einer niedrigen Zieltemperatur zu unterstützen.
Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn zumindest die interne Abgasrückführrate entsprechend einer Ansteuerungskennlinie für den steuerbaren Ventilantrieb ausgelegt ist, wobei in Zeiträumen, in denen das Brennraumvolumen des Brennraums kleiner ist als ein Grenzvolumen, die Ansteuerungskennlinie einen reduzierten Öffnungsgrad des mindestens einen Einlassventils und/oder des mindestens einen Auslassventils vorgibt.
Insbesondere die Position des Kolbens der Verbrennungskraftmaschine nahe des oberen Totpunkts mit einem besonders kleinen Brennraumvolumen erfordert, dass ein Sicherheitsabstand zwischen dem Kolben der Verbrennungskraftmaschine und den Ventilen eingehalten wird, um Kollision von Kolben und Ventilen zu vermeiden. Durch eine Kennlinie, welche den Öffnungsgrad der Ventile wiedergibt, und das offene Einlassventil bzw. Auslassventil der Verbrennungskraftmaschine genau dann vermeidet, wenn das Brennraumvolumen besonders klein ist, kann ein stark reduziertes Brennraumvolumen und damit ein stark erhöhtes Verdichtungsverhältnis erreicht werden.
Üblicherweise folgen der Öffnungsgrad des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Auslassventils jeweils einer glockenförmigen Kurve, Die zunächst langsam und dann schneller werdend und dann wieder langsamer werdend beim Öffnen des jeweiligen Ventils ansteigt bis das Ventil vollständig geöffnet ist und umgekehrt beim schließen zunächst langsam, dann schneller und dann wieder langsamer fällt bis das Ventil wieder geschlossen ist. Die Kurven beider Ventile sind sehr ähnlich jedoch zeitversetzt. In einem gewissen Zeitintervall sind beide Ventile gleichzeitig offen, jedoch ist das eine Ventil (bspw. das Auslassventil) bereits fast wieder geschlossen und das andere Ventil (hier das Einlassventil) erst teilweise geöffnet. Einen Zeitpunkt in dem beide Ventile weit geöffnet sind gibt es normalerweise nicht. In diesem Zeitraum in dem beide Ventile nur etwas geöffnet sind kann üblicherweise stark verdichtet werden, weil der Kolben dann sehr nahe an den Ventilen bzw. im Bewegungsbereich der Ventile sein kann, ohne das eine Kollision von Kolben und Ventilen auftreten kann.
Durch die gemäß Schritt d) des beschriebenen Verfahrens modifizierte Ansteuerung der Ventile kann der Bereich in dem beide Ventile Geöffnet sind reduziert bzw. minimiert werden. Dadurch ist es möglich eine größere Überschneidung der Bewegungsbereiche der Ventile und des Bewegungsbereichs des Kolbens zu realisieren.
Wenn die in Schritt b) festgelegte Zieltemperatur zu niedrig ist bzw. nicht erreicht werden kann, wird die Verdichtung reduziert, um diese Zieltemperatur zu erreichen. Wenn die in Schritt b) festgelegte Zieltemperatur ausreichend und erreichbar ist kann mit einer besonders hohen Verdichtung gefahren werden.
Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn der Verlauf der Ansteuerungskennlinie für den steuerbaren Ventilantrieb eine Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine aufweist.
Da die Kurbelwelle mit den Kolben über die Pleuel verbunden ist, liegen bei bestimmten Kurbelwinken bestimmte Brennraumvolumen vor. Immer dann, wenn der Kurbelwinkel repräsentativ für ein sehr kleines Brennraumvolumen ist, sieht die Ansteuerungskennlinie bevorzugt vor, dass das Auslassventil bzw. das Einlassventil geschlossen bzw. nicht geöffnet ist.
Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Einrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses dazu eingerichtet ist, das Verdichtungsverhältnis in einem Bereich zwischen 8,5 und 15 zu verändern.
Verbrennungskraftmaschinen, die einen derart großen Bereich, in welchem das Verdichtungsverhältnis verändert werden kann, ermöglichen, sind sehr effizient. Dies gilt insbesondere in Teillastsituationen, wo mit solchen Verbrennungskraftmaschinen Wirkungsgrade erreicht werden können, die erheblich über den Wirkungsgraden vergleichbarer Verbrennungskraftmaschinen ohne variables Verdichtungsverhältnis liegen.
Auch vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Verbrennungskraftmaschine mindestens einen Kolben aufweist, welcher den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine begrenzt und welcher bewegbar gelagert ist, um den Brennraum zu vergrößern und zu verkleinern, wobei der Kolben eine zum Brennraum hin ausgerichtete Kolbenfläche aufweist, in welcher mindestens eine Ausnehmung ausgebildet ist, in welche sich das mindestens eine Ventil hinein erstrecken kann, um ein besonders geringes Brennraumvolumen bei gleichzeitig geöffnetem Ventil zu ermöglichen, wobei eine Ausnehmungstiefe der Ausnehmung so gewählt ist, dass eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses eine Anpassung einer Ansteuerungskennlinie mindestens eines Einlassventils und/oder mindestens eines Auslassventils erfordert.
Hier wird insbesondere beschrieben, dass die Verbrennungskraftmaschine bzw. der variable Ventilantrieb gezielt anders angesteuert wird, wenn das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine erhöht wird. Hier wird also gezielt eine bestimmte Art der Abgasrückführung bzw. eine bestimmte Aufteilung der Abgasrückführung auf interne Abgasrückführung und externe Abgasrückführung gewählt, wenn besonders große Verdichtungsverhältnisse vorliegen.
Hier auch beschrieben werden soll eine Verbrennungskraftmaschine aufweisend mindestens einen Brennraum mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, mindestens eine Abgasrückführleitung, durch welche Abgas von dem Einlassventil zu dem Auslassventil rückgeführt werden kann, mindestens eine Einrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in dem mindestens einen Brennraum, mindestens einen steuerbaren Ventilantrieb zur Steuerung des Einlassventils und des Auslassventils, um eine interne Abgasrückführrate festzulegen, und mindestens eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Abgasrückführleitung, um eine externe Abgasrückführrate festzulegen, und mindestens ein Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen.
Die für das beschriebene Verfahren geschilderten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind in analoger Weise auf die beschriebene Verbrennungskraftmaschine anwendbar und übertragbar.
Hier auch beschrieben werden soll ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine - wie sie hier beschrieben ist - oder eine Verbrennungskraftmaschine, die zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend der hier vorliegenden Beschreibung eingerichtet ist.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen:

1: ein Kraftfahrzeug mit einer beschriebenen Verbrennungskraftmaschine,
2: ein Diagramm, welches Ansteuerungskennlinie und Volumina von Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine darstellt, und
3: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens, und
4: ein weiteres Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 31 aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 1, welche eine Kurbelwelle 19 aufweist, die über Pleuel 20 von in Zylindern 32 geführten Kolben 18 angetrieben wird. Die Kolben 18 begrenzen zusammen mit den Zylindern 32 jeweils Brennraumvolumina 23. In dem hier dargestellten linken Brennraum 23 ist gerade ein maximales Brennraumvolumen 14 gezeigt. In dem rechten Zylinder ist gerade ein minimales Brennraumvolumen 13 gezeigt. Das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 1 ist hier beispielhaft mit der Einrichtung 6 verstellbar, welche hier ermöglicht, die Kurbelwelle 19 komplett relativ zu den Zylindern 32 der Verbrennungskraftmaschine nach oben und unten zu verfahren. Die Brennräume 2 der Verbrennungskraftmaschine haben jeweils Einlassventile 3 und Auslassventile 4. Die Einlassventile 3 sind mit einem Ansaugsystem 8 der Verbrennungskraftmaschine verbunden, die Auslassventile 4 sind mit einem Abgassystem 7 der Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden. Zwischen dem Abgassystem 7 und dem Ansaugsystem 8 existiert eine Abgasrückführleitung, mit welcher gezielt Abgas an das Ansaugsystem 8 rückgeführt werden kann. Zur Verdeutlichung der hier beschriebenen Erfindung ist eine interne Abgasrückführrate 12 und eine externe Abgasrückführrate 11 jeweils mit einem entsprechenden Pfeil dargestellt. Die interne Abgasrückführrate 12 kann durch den steuerbaren Ventilantrieb 9 eingestellt werden. Die externe Abgasrückführrate 11 kann durch die Steuereinrichtung 10 gezielt eingestellt werden. Zu erkennen ist, dass die Kolben 18 der Verbrennungskraftmaschine jeweils eine Kolbenfläche 15 aufweisen, in welchen Ausnehmungen 16 existieren, welche verhindern, dass eine Kollision der Kolben 18 mit den Ventilen 3, 4 stattfinden kann. Diese Ausnehmungen 16 haben dafür eine Ausnehmungstiefe 17. Durch die hier beschriebene Erfindung wird es möglich, die Ausnehmungstiefe 17 besonders gering zu wählen. Dies erhöht die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine, weil die Brennräume 2 in ihrer Form dann für die Verbrennung besonders günstig sind.
Das Diagramm in 2 verdeutlicht die Abläufe durch das beschriebene Verfahren. Auf der Zeitachse 25 ist jeweils der Kurbelwellenwinkel 28 aufgetragen. Die Volumenachse 24 verdeutlicht das Volumen eines Brennraums der Verbrennungskraftmaschine. Zu erkennen sind zwei Kurven des Brennraumvolumens 23, die jeweils auch repräsentativ für eine Kolbenposition 26 in der Verbrennungskraftmaschine 1 für den jeweiligen Brennraum sind. Eine variable Verdichtung 33 wird dadurch erreicht, dass das Verdichtungsverhältnis 29 zwischen einem minimalen Brennraumvolumen 13 und einem maximalen Brennraumvolumen 14 sich durch eine Verstellung der variablen Verdichtung 33 jeweils ändert. In dem Diagramm eingetragen ist ein Grenzvolumen 22. Zu erkennen ist, dass je nachdem, welches Verdichtungsverhältnis 29 eingestellt ist, eine Ansteuerungskennlinie für den steuerbaren Ventilantrieb anders zu gestalten ist, um eine Kollision des Kolbens (entsprechend der Kolbenposition 26) und des Ventils 3, 4 zu vermeiden.
Der einzuhaltende Freigang ist mit den Linien 21 (Ansteuerungskennlinie), 27 (Ventilpositionsgrenze) angedeutet. Hierbei gilt die linke Flanke der für das Auslassventil und die rechte Flanke für das Einlassventil.
In der 3 sind die Verfahrensschritte a), b) und c) sowie d) des Verfahrens schematisch zur Illustration noch einmal dargestellt.
4 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens, wobei hier insbesondere die Verfahrensvariante dargestellt ist, bei welcher das Zielverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der internen Abgasrückführrate und von der externen Abgasrückführrate festgelegt wird. Zu erkennen ist, dass zusätzlich zu den Verfahrensschritten a) bis d) eine Prüfung 34 der internen Abgasrückführrate und anschließend auch eine Korrektur 35 des Zielverdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Prüfung 34 bzw. von der internen Abgasrückführrate.
Durch das beschriebene Verfahren wird ein besonders effizienter Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis möglich.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Brennraum
3: Einlassventil
4: Auslassventil
5: Abgasrückführleitung
6: Einrichtung
7: Abgassystem
8: Ansaugsystem
9: Steuerbarer Ventilantrieb
10: Steuereinrichtung
11: externe Abgasrückführrate
12: interne Abgasrückführrate
13: minimales Brennraumvolumen
14: maximales Brennraumvolumen
15: Kolbenfläche
16: Ausnehmung
17: Ausnehmungstiefe
18: Kolben
19: Kurbelwelle
20: Pleuel
21: Ansteuerungskennlinie
22: Grenzvolumen
23: Brennraumvolumen
24: Volumenachse
25: Zeitachse
26: Kolbenposition
27: Ventilpositionsgrenze
28: Kurbelwellenwinkel
29: Verdichtungsverhältnis
30: Steuergerät
31: Kraftfahrzeug
32: Zylinder
33: variable Verdichtung
34: Prüfung
35: Korrektur

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (1) aufweisend - mindestens einen Brennraum (2) mit mindestens einem Einlassventil (3) und mindestens einem Auslassventil (4), - mindestens eine Abgasrückführleitung (5), durch welche Abgas von dem Auslassventil (3) zu dem Einlassventil (4) rückgeführt werden kann, - mindestens eine Einrichtung (6) zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses (29) zwischen einem minimalen Brennraumvolumen (13) und einem maximalen Brennraumvolumen (14) in dem mindestens einen Brennraum (2), - mindestens einen steuerbaren Ventilantrieb (9) zur Steuerung des Einlassventils (3) und des Auslassventils (4), um eine interne Abgasrückführrate festzulegen, - mindestens eine Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Abgasrückführleitung (5), um eine externe Abgasrückführrate festzulegen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Festlegen eines Zielverdichtungsverhältnisses (29), b) Festlegen einer Zieltemperatur eines zündfähigen Gemisches in einem Verdichtungsendzustand, c) Berechnen einer internen Abgasrückführrate (11) und einer externen Abgasrückführrate (12) in Abhängigkeit von der Zieltemperatur, und d) Ansteuern des mindestens einen steuerbaren Ventilantriebs (9) und der mindestens einen Steuereinrichtung (10), um die in Schritt c) berechnete interne Abgasrückführrate (11) und die externe Abgasrückführrate (12) zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zielverdichtungsverhältnis in Schritt a) in Abhängigkeit der in Schritt c) berechneten internen Abgasrückführrate (12) und von der externen Abgasrückführrate (11) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Schritte a) bis c) nach Art einer Schleife wiederholt werden, wenn die interne Abgasrückführrate (12) größer ist als ein Vorgabewert und ein Zielverdichtungsverhältnis (29) jeweils angepasst wird, um die interne Abgasrückführrate (12) auf den Vorgabewert zu begrenzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zielverdichtungsverhältnis (29) in Schritt a) und die Zieltemperatur in Schritt b) in Abhängigkeit voneinander festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die interne Abgasrückführrate (11) entsprechend einer Ansteuerungskennlinie (21) für den steuerbaren Ventilantrieb (9) ausgelegt ist, wobei in Zeiträumen, in denen das Brennraumvolumen (23) des Brennraums (2) kleiner ist als ein Grenzvolumen (22), die Ansteuerungskennlinie (21) einen reduzierten Öffnungsgrad des mindestens einen Einlassventils (3) und/oder des mindestens einen Auslassventils (4) vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Verlauf der Ansteuerungskennlinie (21) für den steuerbaren Ventilantrieb (9) eine Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel (28) einer Kurbelwelle (19) der Verbrennungskraftmaschine (1) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (6) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses (29) dazu eingerichtet ist, das Verdichtungsverhältnis (29) in einem Bereich zwischen 8,5 und 15 zu verändern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) mindestens einen Kolben (18) aufweist, welcher den Brennraum (2) der Verbrennungskraftmaschine (1) begrenzt und welcher bewegbar gelagert ist, um den Brennraum (2) zu vergrößern und zu verkleinern, wobei der Kolben (18) eine zum Brennraum (2) hin ausgerichtete Kolbenfläche (15) aufweist, in welcher mindestens eine Ausnehmung (16) ausgebildet ist, in welche sich das mindestens eine Ventil (3,4) hinein erstrecken kann, um ein besonders geringes minimales Brennraumvolumen (13) bei gleichzeitig geöffnetem Ventil (3, 4) zu ermöglichen, wobei eine Ausnehmungstiefe (17) der Ausnehmung (16) so gewählt ist, dass eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses (29) eine Anpassung einer Ansteuerungskennlinie (21) mindestens eines Einlassventils (3) und/oder mindestens eines Auslassventils (4) erfordert.
Verbrennungskraftmaschine (1) aufweisend - mindestens einen Brennraum (2) mit mindestens einem Einlassventil (3) und mindestens einem Auslassventil (4), - mindestens eine Abgasrückführleitung (5), durch welche Abgas von dem Einlassventil (3) zu dem Auslassventil (4) rückgeführt werden kann, - mindestens eine Einrichtung (6) zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses (29) in dem mindestens einen Brennraum (2), - mindestens einen steuerbaren Ventilantrieb (9) zur Steuerung des Einlassventils (3) und des Auslassventils (4), um eine interne Abgasrückführrate festzulegen, - mindestens eine Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Abgasrückführleitung (5), um eine externe Abgasrückführrate festzulegen, und - mindestens ein Steuergerät (30), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug (31) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 9 oder eine Verbrennungskraftmaschine (1), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.