DE102018122342A1

DE102018122342A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018122342A1
Application number: DE102018122342.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Malischewski
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-03-19
Also published as: WO2020053081A1; EP3850205A1; US20210189979A1; BR112021004456A2; CN112689705A; US11732660B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10). Das Verfahren weist ein Erzeugen eines Druckpulses in einem Abgasstrang (24) der Brennkraftmaschine (10) auf. Das Verfahren weist ein Zuführen von Abgas aus einer Verbrennungskammer (16) eines Zylinders (12) während eines Auslasstaktes des Zylinders (12) in einen Einlasskanal (14) des Zylinders (12) durch eine Ausbreitung des Druckpulses aus dem Abgasstrang (24) in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) auf. Das Verfahren weist ein Zuführen des Abgases aus dem Einlasskanal (14) des Zylinders (12) in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) während eines Einlasstaktes des Zylinders (12) auf. Das Verfahren ermöglicht mittels interner Restgassteuerung (Rest-Abgassteuerung) die Abgastemperatur in der Schwachlast anzuheben, ohne die Volllastperformance der Brennkraftmaschine (10) negativ zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Um die Stickoxidumsatzraten eines SCR-Katalysators insbesondere unter Schwachlast einer Brennkraftmaschine anzuheben, kann es beispielsweise notwendig sein, eine Abgastemperatur zu erhöhen.
Herkömmlich kann über die Ventilüberschneidung die Restgasrate in der Schwachlast beeinflusst werden. Jedoch vertiefen sich hierdurch die Ventiltaschen im Kolben, die wiederum verbrauchsrelevant sind.
Die AT 005 783 U1 offenbart zur Durchführung einer internen Abgasrückführung in den Brennraum einer Diesel-Brennkraftmaschine, dass das Einlassventil während des Auspufftaktes kurzzeitig geöffnet wird. Um einerseits im niedrigen Drehzahlbereich, und andererseits im mittleren und hohen Drehzahlbereich eine Verbesserung der Emissionen zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Beginn des Einlassventilvorhubes im Bereich von 180° bis 210° Kurbelwinkel (KW) nach dem Oberen Totpunkt der Zündung erfolgt.
US 2009/0194080 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Spülen von Restverbrennungsgas einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, insbesondere eines Dieselmotors. Wenn der Motor unter niedrigen Drehzahlen und hohen Lastbedingungen läuft, wird während einer Sequenz des Öffnens/Schließens von Auslassventilen während der Auslassphase des Motors mindestens eine Sequenz des Öffnens/Schließens von Einlassventilen durchgeführt, um eine Spülung des restlichen verbrannten Gases zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem unter Schwachlast die Abgastemperatur angehoben werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (z. B. ViertaktBrennkraftmaschine und/oder Mehrzylinder-Brennkraftmaschine). Das Verfahren weist ein Erzeugen eines Druckpulses (z. B. signifikante und/oder plötzliche und/oder zeitlich begrenzte und/oder einmalige Druckerhöhung z. B. einer beispielsweise zyklischen Druckpulsation) in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine auf. Das Verfahren weist ein Zuführen von Abgas (z. B. Rest-Abgas) aus einer Verbrennungskammer eines Zylinders während eines Auslasstaktes des Zylinders in einen Einlasskanal des Zylinders durch eine Ausbreitung des Druckpulses aus dem Abgasstrang in die Verbrennungskammer des Zylinders auf. Das Verfahren weist ein Zuführen des Abgases aus dem Einlasskanal des Zylinders in die Verbrennungskammer des Zylinders während eines Einlasstaktes des Zylinders auf.
Das Verfahren ermöglicht mittels interner Restgassteuerung (Rest-Abgassteuerung) die Abgastemperatur in der Schwachlast anzuheben, ohne die Volllastperformance der Brennkraftmaschine negativ zu beeinflussen. Hierdurch steigen die möglich Stickoxidumsatzraten eines SCR-Katalysators. Das Verfahren nutzt die Druckpulsationen im Abgasstrang, um Restgas aus der Verbrennungskammer in einen Einlasstrakt der Brennkraftmaschine zu fördern. Das Restgas wird dann im Einlasstakt zurück in die Verbrennungskammer des Zylinders gespült, wodurch sich die Frischluftmasse in der Verbrennungskammer des Zylinders um die Masse des Restgases verringert. Durch den reduzierten Luft- und somit auch Abgasmassenstrom steigt bei gleichbleibendem Motormoment die Abgastemperatur an, ohne die Ladungswechselarbeit des Motors negativ zu beeinflussen.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Druckpuls in dem Abgasstrang durch Öffnen eines Auslassventils eines weiteren Zylinders der Brennkraftmaschine während eines Auslasstaktes des weiteren Zylinders erzeugt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der weitere Zylinder phasenversetzt zu dem Zylinder betrieben, vorzugsweise um ungefähr-120°KW phasenversetzt (z. B. bei Sechszylinder-Brennkraftmaschine) und/oder um -720°KW/Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine.
Zweckmäßig kann der Druckpuls beispielsweise über eine Abgasturbine geleitet wird, z. B. von einer Abgassammelleitung über die Abgasturbine zu einer anderen Abgassammelleitung.
Beispielsweise kann der Abgasstrang einflutige, d. h. mit einer Abgassammelleitung, oder mehrflutig, d. h. mit mehreren Abgassammelleitungen, ausgestattet sein.
In einer Ausführungsform wird das Zuführen von Abgas aus der Verbrennungskammer des Zylinders erst durch eine Erhöhung eines Zylinderdrucks in der Verbrennungskammer des Zylinders durch den Druckpuls bewirkt. Vorzugsweise kann der Zylinderdruck über einen Ladedruck im Einlasskanal des Zylinders und/oder der Brennkraftmaschine erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform breitet sich der Druckpuls durch ein (z. B. bereits zuvor) geöffnetes Auslassventil des Zylinders, vorzugsweise während eines Auslasstaktes des Zylinders, aus dem Abgasstrang in die Verbrennungskammer des Zylinders aus.
In einer Ausführungsvariante erfolgt das Zuführen von Abgas aus der Verbrennungskammer des Zylinders in den Einlasskanal des Zylinders durch den Druckpuls mittels Öffnen eines Einlassventils des Zylinders, vorzugsweise während eines Auslasstaktes des Zylinders und/oder während des Druckpulses.
In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt das Zuführen des Abgases aus dem Einlasskanal des Zylinders in die Verbrennungskammer des Zylinders während eines Einlasstaktes des Zylinders durch ein Öffnen eines Einlassventils des Zylinders.
In einem Ausführungsbeispiel öffnet das Einlassventil des Zylinders erst, wenn sich der Druckpuls in die Verbrennungskammer des Zylinders ausbreitet. Alternativ oder zusätzlich öffnet das Einlassventil des Zylinders erst, wenn sich der Zylinderdruck in der Verbrennungskammer des Zylinders durch den Druckpuls über einen Ladedruck im Einlasskanal des Zylinders und/oder der Brennkraftmaschine erhöht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel schließt das Einlassventil des Zylinders, wenn oder bevor der Zylinderdruck in der Verbrennungskammer des Zylinders wieder unter einen Ladedruck im Einlasskanal des Zylinders und/oder der Brennkraftmaschine sinkt.
In einer Ausführungsform öffnet das Einlassventil des Zylinders zu Beginn des Auslasstaktes des weiteren Zylinders und/oder das Einlassventil des Zylinders öffnet bei Öffnung des Auslassventils des weiteren Zylinders. Alternativ oder zusätzlich öffnet das Einlassventil des Zylinders im Auslasstakt des Zylinders und/oder schließt vor Ende des Auslasstaktes des Zylinders.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Einlassventil des Zylinders in einem Bereich zwischen 100°KW nach UT (unterer Totpunkt einer Kolbenbewegung eines Kolbens, der dem Zylinder zugeordnet ist) im Arbeitstakt des Zylinders und 150°KW nach UT (unterer Totpunkt der Kolbenbewegung des Kolbens, der dem Zylinder zugeordnet ist) im Auslasstakt des Zylinders offen.
In einer Ausführungsvariante öffnet das Einlassventil des Zylinders bei ungefähr oder nach 100°KW nach UT (unterer Totpunkt einer Kolbenbewegung eines Kolbens, der dem Zylinder zugeordnet ist) im Auslasstakt des Zylinders, und/oder das Einlassventil des Zylinders schließt bei ungefähr oder vor 150°KW nach UT (unterer Totpunkt einer Kolbenbewegung eines Kolbens, der dem Zylinder zugeordnet ist) im Auslasstakt des Zylinders.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist das Einlassventil des Zylinders im Auslasstakt des Zylinders für ungefähr oder weniger als 50°KW offen.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Maximalhub des Einlassventils des Zylinders während des Auslasstaktes des Zylinders kleiner als ein Maximalhub des Einlassventils des Zylinders während eines Einlasstaktes des Zylinders.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Maximalhub des Einlassventils des Zylinders während des Auslasstaktes des Zylinders kleiner als 1/3 oder kleiner als 1/4 eines Maximalhubs des Einlassventils des Zylinders während eines Einlasstaktes des Zylinders.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Maximalhub des Einlassventils des Zylinders während des Auslasstaktes des Zylinders kleiner als 3 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm. Beispielsweise kann ein Maximalhub des Einlassventils des Zylinders während des Einlasstaktes des Zylinders rund 10 mm betragen.
In einer Ausführungsform ist eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils des Zylinders unveränderlich und/oder eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils des Zylinders ist durch einen nicht-schaltbaren und/oder starren Nocken einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise ein Ventiltrieb, zum Betätigen des Einlassventils des Zylinders starr und/oder nicht-schaltbar. Alternativ oder zusätzlich ist eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils des Zylinders unter Schwachlast der Brennkraftmaschine wie unter Mittellast und/oder unter Volllast der Brennkraftmaschine.
In einer Ausführungsvariante weist das Verfahren ferner ein Betreiben der Brennkraftmaschine unter Schwachlast während des Erzeugens des Druckpulses, des Zuführens von Abgas aus der Verbrennungskammer und/oder des Zuführens des Abgases aus dem Einlasskanal auf.
In einer weiteren Ausführungsvariante weist das Verfahren ferner ein Betreiben der Brennkraftmaschine in einem Bereich bis 30 %, bis 35 % und/oder bis 40% Last (Teillast bzw. % einer Nennlast der Brennkraftmaschine) und/oder in einem Niedrigdrehzahlbereich, vorzugsweise zwischen 800 U/min und 1400 U/min, während des Erzeugens des Druckpulses, des Zuführens von Abgas aus der Verbrennungskammer und/oder des Zuführens des Abgases aus dem Einlasskanal auf.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zum Erhöhen einer Abgastemperatur in dem Abgasstrang, vorzugsweise unter Schwachlast der Brennkraftmaschine, durchgeführt, vorzugsweise zum Steigern einer Umsatzrate eines SCR-Katalysators in dem Abgasstrang.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern (z. B. 4, 6, 8, 10, 12 oder mehr) auf und das Verfahren wird für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine angewendet.
Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine oder ein Nutzfahrzeug (z. B. Omnibus oder Lastkraftwagen) mit einer Brennkraftmaschine, die zum Ausführen eines Verfahrens wie hierin ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, das Verfahren wie hierin offenbart für Personenkraftwagen, Großmotoren, geländegängige Fahrzeuge, stationäre Motoren, Marinemotoren usw. zu verwenden.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Brennkraftmaschine, die zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet ist;
2 ein Diagramm, das verschiedene Druckwerte über einen Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine zeigt;
3 ein Diagramm, das verschiedene Druckwerte und Ventilsteuerkurven über einen Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
4 ein schematisches Ablaufdiagramm für ein beispielhaftes Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist als eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine ausgeführt, vorzugsweise als Sechszylinder-Reihenmotor. Die Brennkraftmaschine kann allerdings auch mehr oder weniger Zylinder und/oder eine andere Anordnung von Zylindern aufweisen. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 10 als ViertaktBrennkraftmaschine ausgebildet. Vorzugsweise kann die Brennkraftmaschine 10 als eine Diesel-Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Zweckmäßig kann die Brennkraftmaschine 10 in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise einem Nutzfahrzeug (zum Beispiel Lastkraftwagen oder Omnibus, umfasst sein.
Die beispielhafte Brennkraftmaschine 10 weist einen ersten bis sechsten Zylinder 12 auf. Die Zylinder 12 werden um 120° Kurbelwellenwinkel (KW) phasenversetzt zueinander betrieben. Beispielsweise kann der fünfte Zylinder der mehreren Zylinder 12 um -120° KW phasenversetzt zu dem ersten Zylinder der mehreren Zylinder 12 sein, usw.. Während beispielsweise beim fünften Zylinder der Zylinder 12 der Auslasstakt beginnt, befindet sich der erste Zylinder der mehreren Zylinder 12 bereits mitten im Auslasstakt. Weist die Brennkraftmaschine 10 eine andere Anzahl an Zylindern auf, sind die Zylinder dementsprechend anders zueinander Phasen versetzt, zum Beispiel -720°KW / Anzahl der Zylinder.
Die Zylinder 12 weisen jeweils mindestens einen Einlasskanal 14, eine Verbrennungskammer 16 und mindestens einen Auslasskanal 18 auf. Die Einlasskanäle 14 und die Auslasskanäle 16 können beispielsweise in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 10 angeordnet sein. Über die Einlasskanäle 16 kann z. B. Ladeluft zu den Verbrennungskammern 16 zugeführt werden. Über die Auslasskanäle 18 kann Abgas aus den Verbrennungskammern 16 abgeführt werden.
Die Zylinder 12 weisen zudem jeweils mindestens ein Einlassventil 20 und mindestens ein Auslassventil 22 auf, vorzugsweise jeweils zwei Einlassventile 20 und zwei Auslassventile 22 je Zylinder 12. Mittels der Einlassventile 20 kann eine Fluidverbindung zwischen den Einlasskanälen 14 und den jeweiligen Verbrennungskammer 16 der Zylinder 12 hergestellt werden. Mittels der Auslassventile 22 kann eine Fluidverbindung zwischen den Verbrennungskammern 16 und den jeweiligen Auslasskanälen hergestellt werden. Die Einlassventile 20 und Auslassventile 22 können in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 10 angeordnet sein. Beispielsweise können die Einlassventile 20 und die Auslassventile 22 als Tellerventile ausgebildet sein.
Die Brennkraftmaschine 10 weist einen Abgasstrang 24 auf. Der Abgasstrang 24 ist beispielsweise zweiflutig ausgebildet, wie dargestellt ist, mit einer ersten Abgassammelleitung 26 und einer zweiten Abgassammelleitung 28. Die erste Abgassammelleitung 26 verbindet die Auslasskanäle 18 der ersten drei Zylinder der mehreren Zylinder 12 mit einer Abgasturbine 30 eines Abgasturboladers. Die erste Abgassammelleitung 26 führt Abgas aus den ersten drei Zylindern der mehreren Zylinder 12 zu der Abgasturbine 30 zu. Die zweite Abgassammelleitung 28 verbindet die anderen drei Zylinder der mehreren Zylinder 12 mit der Abgasturbine 30, um Abgas zu der Abgasturbine 30 zuzuführen. Der Abgasstrang 24 kann auch mehr oder weniger Abgasfluten oder Abgassammelleitungen aufweisen.
Diejenigen Zylinder der mehreren Zylinder 12, deren Auslasskanäle 18 direkt mit einer gemeinsamen Abgassammelleitung 26 oder 28 verbunden sind, können insbesondere jeweils um 240°KW phasenversetzt betrieben werden.
Stromabwärts der Abgasturbine 30 kann eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 32 angeordnet sein. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 32 kann insbesondere eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas bzw. eine SCR-Katalysatorvorrichtung (engl. SCR = selective catalytic reduction) 34 aufweisen. Eine Stickoxidumsetzungsrate der SCR-Katalysatorvorrichtung 34 kann temperaturabhängig sein. Insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen, z. B. beim Motorstart oder beim Schwachlastbetrieb der Brennkraftmaschine 10, kann eine Abgastemperatur zu niedrig für eine gewünschte Stickoxidumsetzungsrate sein.
Das hierin offenbarte Verfahren sowie eine Brennkraftmaschine, die das hierin offenbarte Verfahren ausführt, sind in der Lage, unter Ausnutzung eines Druckpulses im Abgasstrang und mittels eines zweifachen Einlassventilhubs eine Abgastemperatur beim Schwachlastbetrieb anzuheben.
Die 2 zeigt unterschiedliche Druckverläufe während eines Arbeitstaktes der Brennkraftmaschine 10 bezogen auf einen der mehreren Zylinder 12 (nachfolgend der „betrachtete Zylinder 12“) für einen Schwachlastbetriebspunkt.
Die strichpunktierte Kurve A entspricht einem beispielhaften Druckverlauf in dem Einlasskanal 14 des betrachteten Zylinders 12. Die gepunktete Kurve B entspricht einem beispielhaften Druckverlauf in dem jeweiligen Auslasskanal 18 des betrachteten Zylinders 12. Die durchgezogene Kurve C entspricht einem beispielhaften Druckverlauf eines Zylinderdrucks in der Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders 12.
Die Kurve A zeigt, dass der Druck im Einlasskanal 14 des betrachteten Zylinders 12 im Wesentlichen konstant ist. Der Druck sinkt leicht ab, wenn das Einlassventil 20 des betrachteten Zylinders 12 im Ansaugtakt bzw. Einlasstakt offen ist. Im Ansaugtakt strömt Ladeluft in die Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders 12. Während der anderen Takte ist der Druck im Einlasskanal 14 im Wesentlichen gleichbleibend, mit leichten Schwankungen, die beispielsweise durch das Öffnen und Schließen anderer Einlassventile 20 anderer Zylinder 12 bewirkt werden. Beispielsweise kann der Druck im Einlasskanal 14 zwischen 1,3 bar und 1,4 bar betragen, wenn die Brennkraftmaschine 10 unter Schwachlast betrieben wird, wie beispielhaft dargestellt ist.
Die Kurve B zeigt, dass ein Druck im Auslasskanal 18 des betrachteten Zylinders 12 während eines Zyklus vergleichsweise stark schwankt. Bei Öffnung des Auslassventils 22 des betrachteten Zylinders 12 zum Ende des Expansionstaktes hin steigt der Druck stark an und wird allmählich abgebaut, entsprechend einem Zylinderdruckverlauf C in diesem Bereich. Daneben kommt es zu weiteren Druckpulsationen im Auslasskanal 18 des betrachteten Zylinders 12, und zwar alle 120°KW. Die Druckpositionen werden bewirkt durch die Öffnung der Auslassventile 22 der anderen Zylinder 12. Im dargestellten Beispiel werden die hohen Druckpulse während des Verdichtungstaktes und des Ansaugtakt durch diejenigen Zylinder 12 bewirkt, die an der gleichen Abgassammelleitung 26 oder 28 angeschlossen sind, wie der betrachtete Zylinder 12. Die niedrigeren Druckpulse während des Expansionstaktes, des Ausschiebetaktes und am Ende des Ansaugtaktes bis in den Verdichtungstakt hinein werden durch diejenigen Zylinder 12 bewirkt, die an der anderen Abgassammelleitung 26 oder 28 angeschlossen sind als der betrachtete Zylinder 12. Die Weiterleitung der niedrigeren Druckpulse erfolgt über eine Verbindung der Abgassammelleitungen 26 und 28 durch die Abgasturbine 30. Diese Verbindung ist rein schematisch durch eine gepunktete Linie in 1 angedeutet und mit der Bezugszeichen 36 versehen.
Die Kurve C zeigt, dass ein Zylinderdruck während des Expansionstaktes stark erhöht ist. Zusätzlich ist in einem Bereich D dargestellt, dass sich der Zylinderdruck in der zweiten Hälfte des Ausschiebetaktes (Auslasstaktes) nochmals erhöht. Der Grund für die Erhöhung liegt in der Wirkung des Druckpulses im Auslasskanal 18 des betrachteten Zylinders 12 (siehe Kurve B). Dieser Druckpuls wird durch die Öffnung des Auslassventils 22 eines um -120°KW phasenversetzt betriebenen Zylinders der mehren Zylinder 12 bewirkt. Dieser um -120°KW phasenversetzt betriebene Zylinder ist in diesem Zeitraum beginnt zu Beginn des Zeitraums seinen Auslasstakt, in dem Abgas durch das geöffnete Auslassventil 22 ausgeschoben wird.
Es wurde erkannt, dass sich die durch den Druckpuls im Abgasstrang 24 bewirkte Zylinderdruckerhöhung im betrachteten Zylinder 12 derart auswirken kann, dass der Zylinderdruck (Kurve C) durch den Druckpuls (Kurve B) höher ansteigt als der Ladeluftdruck (Kurve A). Im Ausführungsbeispiel mit der sechszylindrigen Brennkraftmaschine ist der Zylinderdruck des betrachteten Zylinders 12 während des Ausschiebetaktes in einem Bereich von ca. 280°KW und 330°KW höher als der Ladedruck.
Diese Erkenntnis kann genutzt werden, um, bewirkt durch den Druckpuls, Restgas aus der Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders 12 in den Einlasskanal 14 des betrachteten Zylinders 12 zu fördern. Es wird vorgeschlagen, das Einlassventil 20 des betrachteten Zylinders 12 während dieser Phase im Auslasstakt, zusätzlich zum Standard-Einlasshub während des Ansaugtaktes, zu öffnen, wie in 3 ergänzt ist.
Die 3 zeigt zusätzlich zu den Kurven von 2 noch eine Ventilsteuerkurve des Auslassventils 22 des betrachteten Zylinders 12 als gepunktete Kurve E und eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils 20 des betrachteten Zylinders 12 als strichpunktierte Kurve F.
Die Kurve E zeigt, dass das Auslassventil 22 des betrachteten Zylinders 12 während des Auslasstaktes geöffnet ist.
Die Kurve 11 zeigt, dass das Einlassventil 20 des betrachteten Zylinders 12 einen Doppelhub ausführt. Das Einlassventil 20 öffnet ein erstes Mal im Auslasstakt und zwar genau während der Druckpuls den Zylinderdruck in der Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders 12 über den Ladedruck im Einlasskanal 14 erhöht. Durch das geöffnete Einlassventil 20 strömt dann Restgas in den Einlasskanal 14 des betrachteten Zylinders 12. Das Einlassventil 20 des betrachteten Zylinders 12 schließt dann, bevor der Zylinderdruck in der Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders wieder unter den Ladedruck fällt. Das Einlassventil 20 des betrachteten Zylinders 12 öffnet dann wieder normal im Ansaugtakt. Aus dem Einlasskanal 14 wird im Ansaugtakt Restgas zurück in die Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders 21 gespült. Gleichzeitig reduziert sich die Frischluftmasse in der Verbrennungskammer 16 des betrachteten Zylinders 12 um die Masse des Restgases. Durch den reduzierten Luft- und somit auch Abgasmassenstrom steigt bei gleichbleibendem Motormoment die Abgastemperatur an, ohne die Ladungswechselarbeit des Motors negativ zu beeinflussen. Die Restgasspülung kann dazu verwendet werden, eine Abgastemperaturerhöhung in dem Abgasstrang 24 unter Schwachlast der Brennkraftmaschine 10 zu bewirken, um eine Stickoxidumsatzrate der SCR-Katalysatorvorrichtung 34 zu erhöhen.
Über die Hublänge und Hubhöhe des Einlassventils 20 während des Auslasstaktes kann die Restgasmenge im Schwachlastbereich voreingestellt werden. Es ist möglich, dass sich der Zusatzhub des Einlassventils 20 auf die maximal mögliche Nennleistung der Brennkraftmaschine auswirkt. Serienmotoren haben in der Regel in der Nennleistung ein deutlich negatives Spülgefälle, d. h., der Abgasgegendruck ist deutlich höher als der Ladedruck. Dies führt auch in der Nennleistung zu erhöhten Restgasraten. Daher muss die Hubgröße und Hublänge des Zusatzhubs des Einlassventils 20 richtig ausgelegt werden, um die Nennleistung nicht zu reduzieren.
Bezüglich der Hublänge wird für die beispielhafte Sechszylinder-Brennkraftmaschine 10 vorgeschlagen, dass das Einlassventil 20 des betrachteten Zylinders 12 in einem Bereich zwischen 100°KW nach UT im Auslasstakt des betrachteten Zylinders 12 und 150° KW nach UT im Auslasstakt des betrachteten Zylinders 12 offen ist.
Bezüglich eines Maximalhubs des Einlassventils 20 des betrachteten Zylinders 12 wird vorgeschlagen, dass dieser während des Auslasstaktes des betrachteten Zylinders 12 kleiner als 1/3 oder kleiner als 1/4 eines Maximalhubs des Einlassventils 20 des betrachteten Zylinders 12 während eines Einlasstaktes des betrachteten Zylinders 12 ist, z. B. rund 1 mm bis 2 mm, wie dargestellt ist.
Damit wurde die Lage, Länge und Höhe des Zusatzhubes so gelegt, das im Sehwachlastbereich möglichst viel Restgas in den Einlasskanal 14 gespült wird und bei höheren Motorlasten im Hauptfahrbereich nur eine geringe Veränderung zu „normalen“ Steuerzeiten erfolgt.
Durch die vorteilhafte Auslegung des Zusatzhubs des Einlassventils 20 im Auslasstakt wird erreicht, dass der Zusatzhub sowohl unter Teillast als auch unter Volllast durchgeführt werden kann, ohne sich signifikant negativ unter Volllast auszuwirken. Damit muss kein schaltbares System zum wahlweisen Zuschalten des Zusatzhubs des Einlassventils 20 vorgesehen sein.
Stattdessen reicht es, wenn das Einlassventil 20 von einem robusten, starren, nicht-schaltbaren Nocken einer Nockenwelle, oder allgemein über einen starren, nicht-schaltbaren Ventiltrieb, betätigt ist, der die gleiche Ventilsteuerkurve für sämtliche Lastbereiche bewirkt. Somit ist die Ventilsteuerkurve des Einlassventils 20 unter Schwachlast der Brennkraftmaschine 10 identisch wie unter Mittellast und unter Volllast der Brennkraftmaschine 10.
Aus dem obigen Prinzip der Ausnutzung der Druckpulsationen im Abgasstrang 24 der Brennkraftmaschine 10 wurde ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zum Erhöhen einer Abgastemperatur abgeleitet, das nachfolgend stark vereinfacht unter Bezugnahme auf 4 in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben ist.
In einem Verfahrensschritt S10 wird ein Druckpuls in dem Abgasstrang 24 der Brennkraftmaschine 10 erzeugt. Beispielsweise kann der Druckpuls in dem Abgasstrang 24 durch Öffnen des Auslassventils 22 eines der mehreren Zylinder 12 während eines Auslasstaktes dieses Zylinders bewirkt werden, wie unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben ist. Es ist allerdings im Rahmen der Lehre der vorliegenden Offenbarung möglich, jedweden anderen Druckpuls im Abgasstrang 24 auszunutzen und/oder einen Druckpuls auf andere Art und Weise zu erzeugen.
In einem Verfahrensschritt S12 breitet sich der Druckpuls im Abgasstrang 24 aus. Der Druckpuls dringt durch ein bereits im Auslasstakt geöffnetes Auslassventil 22 eines der mehreren Zylinder 12 in dessen Verbrennungskammer 16 ein und erhöht dort den Zylinderdruck. Der Zylinderdruck wird über den Ladedruck im Einlasskanal 14 desselben Zylinders 12 erhöht (siehe Bereich D in 2 und 3).
In einem Verfahrensschritt S14 wird Abgas bzw. Restgas aus der Verbrennungskammer 16 in den Einlasskanal 14 zugeführt. Die Zuführung wird ermöglicht durch den Zusatzhub des Einlassventils 20 des Zylinders während des Auslasstaktes (siehe 3). Das Einlassventil 20 wird erst geöffnet, nachdem der Zylinderdruck über den Ladedruck erhöht wurde. Das Einlassventil 20 wird geschlossen, bevor der Zylinderdruck unter den Ladedruck fällt.
In einem Verfahrensschritt S16 wird das Abgas aus dem Einlasskanal 14 in die Verbrennungskammer des Zylinders 12 während des Einlasstaktes zurückgespült. Wie zuvor erklärt, kann dadurch eine Abgastemperatur in der Schwachlast erhöht werden, um eine Stickoxidumsetzungsrate der SCR-Katalysatorvorrichtung zu erhöhen.
Auch wenn das Verfahren nur für einen der Zylinder 12 beschrieben ist, kann es prinzipiell für jeden der mehreren Zylinder 12 angewendet werden. Dann bewirkt beispielsweise jeweils ein anderer, phasenversetzt betriebener Zylinder den Druckpuls im Abgasstrang 24.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweilige bevorzugte Außengrenzen des jeweiligen Bereichs.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
12: Zylinder
14: Einlasskanäle
16: Verbrennungskammern
18: Auslasskanäle
20: Einlassventile
22: Auslassventile
24: Abgasstrang
26: Erste Abgassammelleitung
28: Zweite Abgassammelleitung
30: Abgasturbine
32: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
34: SCR-Katalysatorvorrichtung
36: Verbindung
A-C: Druckverläufe
D: Druckpuls
E-F: Ventilsteuerkurven

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 005783 U1 [0004]
US 2009/0194080 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), aufweisend: Erzeugen eines Druckpulses in einem Abgasstrang (24) der Brennkraftmaschine (10); Zuführen von Abgas aus einer Verbrennungskammer (16) eines Zylinders (12) während eines Auslasstaktes des Zylinders (12) in einen Einlasskanal (14) des Zylinders (12) durch eine Ausbreitung des Druckpulses aus dem Abgasstrang (24) in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12); und Zuführen des Abgases aus dem Einlasskanal (14) des Zylinders (12) in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) während eines Einlasstaktes des Zylinders (12).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Druckpuls in dem Abgasstrang (24) durch Öffnen eines Auslassventils (22) eines weiteren Zylinders (12) der Brennkraftmaschine (10) während eines Auslasstaktes des weiteren Zylinders (12) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: der weitere Zylinder (12) phasenversetzt zu dem Zylinder (12) betrieben wird, vorzugsweise um ungefähr -120°KW phasenversetzt und/oder um -720°KW/Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine (10).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Zuführen von Abgas aus der Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) erst durch eine Erhöhung eines Zylinderdrucks in der Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) durch den Druckpuls bewirkt wird, vorzugsweise durch eine Erhöhung über einen Ladedruck im Einlasskanal (14) des Zylinders (12) und/oder der Brennkraftmaschine (10).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der Druckpuls sich durch ein geöffnetes Auslassventil (22) des Zylinders (12), vorzugsweise während eines Auslasstaktes des Zylinders (12), aus dem Abgasstrang (24) in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) ausbreitet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Zuführen von Abgas aus der Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) in den Einlasskanal (14) des Zylinders (12) durch den Druckpuls mittels Öffnen eines Einlassventils (20) des Zylinders (12), vorzugsweise während eines Auslasstaktes des Zylinders (12) und/oder während des Druckpulses, erfolgt; und/oder das Zuführen des Abgases aus dem Einlasskanal (14) des Zylinders (12) in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) während eines Einlasstaktes des Zylinders (12) durch ein Öffnen eines Einlassventils (20) des Zylinders (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: das Einlassventil (20) des Zylinders (12) erst öffnet, wenn sich der Druckpuls in die Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) ausbreitet; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) erst öffnet, wenn der Zylinderdruck in der Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) durch den Druckpuls über einen Ladedruck im Einlasskanal (14) des Zylinders (12) und/oder der Brennkraftmaschine (10) erhöht ist; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) schließt, wenn oder bevor der Zylinderdruck in der Verbrennungskammer (16) des Zylinders (12) wieder unter einen Ladedruck im Einlasskanal (14) des Zylinders (12) und/oder der Brennkraftmaschine (10) sinkt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei: das Einlassventil (20) des Zylinders (12) zu Beginn des Auslasstaktes des weiteren Zylinders (12) öffnet; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) bei Öffnung des Auslassventils (22) des weiteren Zylinders (12) öffnet; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) im Auslasstakt des Zylinders (12) öffnet und vor Ende des Auslasstaktes des Zylinders (12) schließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei: das Einlassventil (20) des Zylinders (12) in einem Bereich zwischen 100°KW nach UT im Arbeitstakt des Zylinders (12) und 150° KW nach UT im Auslasstakt des Zylinders (12) offen ist; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) bei ungefähr oder nach 100°KW nach UT im Auslasstakt des Zylinders (12) öffnet; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) bei ungefähr oder vor 150°KW nach UT im Auslasstakt des Zylinders (12) schließt; und/oder das Einlassventil (20) des Zylinders (12) im Auslasstakt des Zylinders (12) für ungefähr oder weniger als 50°KW offen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei: ein Maximalhub des Einlassventils (20) des Zylinders (12) während des Auslasstaktes des Zylinders (12) kleiner als ein Maximalhub des Einlassventils (20) des Zylinders (12) während eines Einlasstaktes des Zylinders (12) ist; und/oder ein Maximalhub des Einlassventils (20) des Zylinders (12) während des Auslasstaktes des Zylinders (12) kleiner als 1/3 oder kleiner als 1/4 eines Maximalhubs des Einlassventils (20) des Zylinders (12) während eines Einlasstaktes des Zylinders (12) ist; und/oder ein Maximalhub des Einlassventils (20) des Zylinders (12) während des Auslasstaktes des Zylinders (12) kleiner als 3 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei: eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils (20) des Zylinders (12) unveränderlich ist; und/oder eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils (20) des Zylinders (12) durch einen nicht-schaltbaren und/oder starren Nocken einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine (10) bewirkt ist, und/oder eine Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise ein Ventiltrieb, zum Betätigen des Einlassventils (20) des Zylinders (12) starr und/oder nicht-schaltbar ist; und/oder eine Ventilsteuerkurve des Einlassventils (20) des Zylinders (12) unter Schwachlast der Brennkraftmaschine (10) wie unter Mittellast und/oder unter Volllast der Brennkraftmaschine (10) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: Betreiben der Brennkraftmaschine (10) unter Schwachlast während des Erzeugens des Druckpulses, des Zuführens von Abgas aus der Verbrennungskammer (16) und des Zuführens des Abgases aus dem Einlasskanal (14); und/oder Betreiben der Brennkraftmaschine (10) in einem Bereich bis 30 %, bis 35 % und/oder bis 40% Last und/oder in einem Niedrigdrehzahlbereich, vorzugsweise zwischen 800 U/min und 1400 U/min, während des Erzeugens des Druckpulses, des Zuführens von Abgas aus der Verbrennungskammer (16) und des Zuführens des Abgases aus dem Einlasskanal (14).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Verfahren zum Erhöhen einer Abgastemperatur in dem Abgasstrang (24), vorzugsweise unter Schwachlast der Brennkraftmaschine (10), durchgeführt wird, vorzugsweise zum Steigern einer Umsatzrate einer SCR-Katalysatorvorrichtung (34) in dem Abgasstrang (24).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die Brennkraftmaschine (10) eine Mehrzahl von Zylindern (12) aufweist und das Verfahren für jeden Zylinder (12) der Brennkraftmaschine (10) angewendet wird.
Brennkraftmaschine (10) oder Nutzfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (10), die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.