DE102018128191A1

DE102018128191A1 - Verfahren zum Einstellen eines Abgasrückhalts und/oder einer internen AGR mittels einer Abgasklappe im Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018128191A1
Application number: DE102018128191.9A
Authority: DE
Inventors: Simon Sippel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine zumindest einen Viertakt-Verbrennungsmotor 1, einen Frischgasstrang 5 und einen Abgasstrang 10 umfasst. In den Frischgasstrang 5 ist ein Frischgasverdichter 8 eines Abgasturboladers und in den Abgasstrang sind eine Abgasturbine 11 des Abgasturboladers sowie, stromab der Abgasturbine 11, eine Abgasklappe 15 integriert. Für den oder die Brennräume des Verbrennungsmotors 1 wird die Zufuhr von Frischgas aus dem Frischgasstrang 5 mittels mindestens eines Einlassventils 17 (je Brennraum) und die Abfuhr von Abgas in den Abgasstrang 10 mittels mindestens eines Auslassventils 18 (je Brennraum) gesteuert. Vorgesehen ist, dass ein relativ großer Abgasrückhalt in dem Brennraum bewirkt wird, indem das Auslassventil 18 während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors 1 relativ früh geschlossen wird, und/oder es wird eine interne AGR realisiert, indem das Auslassventil 18 während eines Ansaugtakts des Verbrennungsmotors 1 geöffnet wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen Abgases und/oder die Menge des in den Brennraum zurückgeführten Abgases durch eine Verstellung der Abgasklappe 15 eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Im Zuge der sich stetig verschärfenden Abgasvorschriften spielt die weitere Verringerung von als Schadstoffen deklarierten Abgasbestandteilen eine wesentliche Rolle bei der Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt werden.
Bei Dieselmotoren stellt insbesondere die Verringerung der ausgestoßenen (Ruß-)Partikel sowie der im Vergleich zu Ottomotoren infolge der mageren Verbrennung prinzipbedingt relativ hohen Stickoxidemissionen (NO_x-Emissionen) einen Focus der Entwicklung dar.
Eine Verringerung der Partikel kann wirkungsvoll und mit vertretbarem Aufwand mittels Partikelfiltern erreicht werden, die Partikel aus dem Abgas filtern, zwischenspeichern und beim Erreichen einer Beladungsgrenze regeneriert werden, wobei die Partikel in CO₂ umgewandelt werden.
Eine Verringerung der Stickoxidemissionen kann einerseits mittels innermotorischer Maßnahmen, insbesondere einer Abgasrückführung (AGR), erzielt werden. Durch die Abgasrückführung können die bei der Verbrennung in den Brennräumen auftretenden Spitzentemperaturen gesenkt werden, was zu der gewünschten Verringerung der Stickoxide (NO_x) im Abgas führt. Neben einer „externen“ AGR, die bislang hauptsächlich bei DieselBrennkraftmaschinen eingesetzt wird und bei der Abgas mittels einer den Abgasstrang mit dem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine verbindendenden Abgasrückführleitung zurückgeführt wird, ist insbesondere bei Otto-Brennkraftmaschinen auch die Umsetzung einer „internen“ AGR bekannt (vgl. DE 10 2005 053 940 A1 ), bei der ein Zurückführen von Abgas aus dem Abgasstrang in die Brennräume des Verbrennungsmotors durch eine Beeinflussung der Ventilsteuerzeiten mittels eines variablen Ventiltriebs zur Erzielung einer Ventilüberschneidung der Einlass- und Auslassventile realisiert wird. Vorteile der internen AGR gegenüber der externen AGR können sich aus den kurzen Strömungswegen für das rückzuführendem Abgas und den schnellen Reaktionszeiten sowie der direkten Dosierbarkeit ergeben. Nachteilig kann sich allerdings das Fehlen der Möglichkeit einer wirksamen Abkühlung des rückgeführten Abgases, wie dies bei einer externen AGR möglich ist, erweisen.
Weiterhin können außermotorische Maßnahmen, insbesondere sogenannte SCR-Verfahren, d.h. Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion, vorgesehen sein. SCR-Verfahren beruhen darauf, die im Abgas enthaltene Stickoxide durch ein in das Abgas eingebrachtes Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak, in nicht als Schadstoffe deklarierte Endprodukte wie Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln.
Es ist weiterhin bekannt, Brennkraftmaschinen mit einer Aufladung durch beispielsweise einen Abgasturbolader auszustatten. Durch die Aufladung wird der Druck des einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases erhöht, wodurch sich die Füllung der Brennräume, damit die Menge des pro Arbeitstakt umsetzbaren Kraftstoffs und folglich die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht.
Der Ventiltrieb für eine Viertakt-Brennkraftmaschine umfasst jeweils mindestens ein, häufig zwei Einlass- und Auslassventile für jeden Brennraum der Brennkraftmaschine. Diese Einlass- und Auslassventile werden zumeist mittels Nockenwellen betätigt, wobei bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Ventilen pro Brennraum regelmäßig zwei Nockenwellen zum Einsatz kommen.
Es ist bekannt, zur Verbesserung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine die Ventilsteuerzeiten der einzelnen Einlass- und/oder Auslassventile dadurch zu verändern, dass die Phasenwinkel der diese betätigenden Nockenwellen verstellt werden. Hierzu wird die jeweilige Nockenwelle mittels eines Phasenstellers gegenüber einem Antriebsrad, über das diese rotierend angetrieben wird, um einen definierten Winkel, den Phasenwinkel, verdreht, wodurch die Ventilsteuerzeiten der damit angesteuerten Ventile in Richtung „früh“ oder „spät“ verstellt werden (vgl. z.B. US 7,841,311 B2 ).
Aus der DE 10 2005 015 852 A1 ist es bekannt, den Kaltlauf einer Brennkraftmaschine zu verbessern, indem in diesem Betriebszustand eine interne AGR realisiert wird. Hierzu wird mittels eines Schaltnockens für zumindest ein Auslassventil jedes Brennraums ein zusätzliches Öffnen des Auslassventils während des Ansaugtakts verwirklicht.
Die DE 10 2013 004 800 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang und einem Abgasstrang, wobei für einen Brennraum des Verbrennungsmotors die Zufuhr von Frischgas mittels eines Einlassventils und die Abfuhr von Abgas mittels eines Auslassventils gesteuert wird, wobei Auslassbetätigungsmittel, die während eines Ausstoßtakts das Auslassventil öffnen, und Einlassbetätigungsmittel vorgesehen sind, die das Einlassventil während eines Ansaugtakts und während des Ausstoßtakts öffnen. Weiterhin sind Phasenverschiebungsmittel zur Phasenverschiebung des Öffnens des Auslassventils durch die Auslassbetätigungsmittel während des Ausstoßtakts vorgesehen. Dadurch wird ermöglicht, zur Erzielung einer internen AGR das Öffnen des Auslassventils so weit nach früh zu verstehen, dass sich eine Phase eines Überdrucks im Abgasstrang im Vergleich zu dem Druck im Frischgasstrang mit dem Öffnen des Einlassventils während des Ausstoßtakts überschneidet.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, die Menge von in einem Brennraum zurückgehaltenen Abgas und/oder die Menge mittels einer internen AGR zurückgeführten Abgases im Betrieb einer Brennkraftmaschine vorteilhaft einstellen zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Dementsprechend ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine zumindest einen Viertakt-Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang und einen Abgasstrang umfasst. Infolge der Ausgestaltung des Verbrennungsmotors als Viertakt-Verbrennungsmotor umfasst der in dem oder in jedem der Brennräume, die von dem Verbrennungsmotor ausgebildet sind, im Betrieb des Verbrennungsmotors umgesetzte Kreisprozess vier Takte: (1) Ansaugen, (2) Verdichten (und Zünden), (3) Arbeiten bzw. Expandieren und (4) Ausstoßen. In den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine ist weiterhin zumindest ein Frischgasverdichter eines Abgasturboladers und in den Abgasstrang sind zumindest eine Abgasturbine des Abgasturboladers sowie, stromab (bezüglich der Strömungsrichtung des innerhalb des Abgasstrangs strömenden, von dem Verbrennungsmotor kommenden Abgases) der Abgasturbine, eine Abgasklappe integriert. Für den oder die Brennräume des Verbrennungsmotors wird die Zufuhr von Frischgas aus dem Frischgasstrang mittels mindestens eines Einlassventils (je Brennraum) und die Abfuhr von Abgas in den Abgasstrang mittels mindestens eines Auslassventils (je Brennraum) gesteuert. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein relativ großer Abgasrückhalt in dem Brennraum bewirkt wird, indem das Auslassventil während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors relativ früh geschlossen wird (d.h. durch ein späteres Schließen des Auslassventils während des Ausstoßtakts könnte ein kleinerer, insbesondere minimaler Abgasrückhalt in dem Brennraum bewirkt werden), und/oder es wird eine interne AGR bewirkt, indem das Auslassventil während eines Ansaugtakts des Verbrennungsmotors geöffnet wird, vorzugsweise während einer Phase eines Überdrucks im Abgasstrang im Vergleich zu dem Druck im Frischgasstrang. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist ein solches Verfahren dadurch, dass dabei die Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen Abgases und/oder die Menge des in den Brennraum zurückgeführten Abgases gezielt durch eine Verstellung der Abgasklappe (veränderbar) eingestellt wird.
Erfindungsgemäß wird folglich die Abgasklappe genutzt, um den Druck des Abgases in dem Abschnitt des Frischgasstrangs, der zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasklappe liegt, und damit auch das Druckgefälle zwischen dem Abgasstrang und dem Brennraum bedarfsgerecht zu verändern und damit die Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen Abgases und/oder die Menge von in den Brennraum mittels interner AGR zurückgeführten Abgases einzustellen. Grundsätzlich ist eine solche Verwendung einer Abgasklappe zur Einstellung der Menge von mittels externer AGR rückgeführten Abgases bekannt. Überraschend hat sich jedoch gezeigt, dass die Abgasklappe auch dann für eine Einstellung der Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen Abgases und/oder von in den Brennraum mittels interner AGR zurückgeführten Abgases eingesetzt werden kann, wenn bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine in dem Abgasstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasklappe die Abgasturbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass sich die mittels der Abgasklappe erzielbare Beeinflussung des Abgasdrucks in dem zwischen der Abgasturbine und der Abgasklappe gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs auch auf den zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasturbine gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs überträgt, so dass mittels der Abgasklappe der Abgasgegendruck im Abgasstrang und damit bei geöffnetem Auslassventil die Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen oder in diesen zurückgeführten Abgases gezielt beeinflusst werden kann.
Gegebenenfalls kann es sinnvoll sein, die erfindungsgemäß vorgesehene Beeinflussung der Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen und/oder mittels interner AGR in diesen zurückgeführten Abgases durch ein entsprechendes Einstellen der Abgasklappe nur in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (insbesondere definiert durch konkrete Kombinationen aus Last und Drehzahl für den Betrieb des Verbrennungsmotors) durchzuführen. Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass in einem ersten Betriebszustand erfindungsgemäß solch ein relativ großer Abgasrückhalt in dem Brennraum bewirkt wird, indem das Auslassventil während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors relativ früh geschlossen wird, und/oder eine interne AGR bewirkt wird, indem das Auslassventil während eines Ansaugtakts des Verbrennungsmotors geöffnet wird, wohingegen in einem zweiten Betriebszustand ein minimal möglicher oder ein relativ (im Vergleich zu dem ersten Betriebszustand) kleiner Abgasrückhalt in dem Brennraum und/oder keine interne AGR bewirkt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Betriebszustand auch oder ausschließlich während eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Als „Warmlaufbetrieb“ wird dabei ein Betrieb der Brennkraftmaschine verstanden, bei der zumindest der Verbrennungsmotor noch nicht einen vorgesehenen Dauerbetriebstemperaturbereich erreicht hat. Dabei kann die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors vorzugsweise anhand zumindest einer gemessenen Temperatur einer zur Kühlung des Verbrennungsmotors genutzten Kühlflüssigkeit ermittelt werden. In diesem Fall kann ein Warmlaufbetrieb der Brennkraftmaschine insbesondere so lange vorliegen, bis die Temperatur der Kühlflüssigkeit größer oder gleich 90°C beträgt.
Die vorzugsweise vorgesehene Einstellung des ersten Betriebszustands ausschließlich während eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine kann insbesondere auch dann sinnvoll sein, wenn die Brennkraftmaschine weiterhin eine Abgasrückführleitung umfasst, in die vorzugsweise zudem ein Abgaskühler integriert ist und über die zur Durchführung einer externen AGR Abgas von dem Abgasstrang zu dem Frischgasstrang geführt werden kann. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass nur in dem zweiten Betriebszustand eine solche externe AGR durchgeführt wird. Die Durchführung einer solchen externen AGR in dem ersten Betriebszustand, der gegebenenfalls ausschließlich während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eingestellt wird, könnte nämlich nachteilig sein, weil es aufgrund einer relativ geringen Abgastemperatur und/oder aufgrund einer relativ großen Kühlleistung des Abgaskühlers (beispielsweise infolge der noch relativ niedrigen Temperatur des in dem Abgaskühler genutzten Kühlmittels, bei dem es sich insbesondere um dieselbe Kühlflüssigkeit handeln kann, die auch für eine Kühlung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist) zu einem Auskondensieren von Flüssigkeiten und insbesondere von Wasser in dem zurückzuführenden Abgas kommen kann, wodurch Schäden der Brennkraftmaschine verursacht werden können. Dementsprechend kann es auch sinnvoll sein, dass der erste Betriebszustand während eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine eingestellt wird, wobei von dem ersten zu dem zweiten Betriebszustand umgeschaltet wird, wenn das den Abgaskühler durchströmende Kühlmittel eine definierte Mindesttemperatur, beispielsweise 40°C erreicht hat, weil dann die Gefahr eines Auskondensierens von Flüssigkeiten aus dem rückzuführenden Abgas ausreichend gering ist.
Die Gefahr eines Auskondensierens von Flüssigkeiten aus extern rückzuführendem Abgas gilt insbesondere für eine vorzugsweise vorgesehen Ausgestaltung der Abgasrückführleitung, die eine Durchführung einer sogenannten Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) ermöglicht und die hierfür stromab der Abgasturbine und stromauf der Abgasklappe aus dem Abgasstrang abgeht und die stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des in dem Frischgasstrang zu dem Verbrennungsmotor strömenden Frischgases) des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang mündet. Alternativ kann die Abgasrückführleitung auch zur Durchführung einer sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) eingerichtet sein, wozu diese stromauf der Abgasturbine aus dem Abgasstrang abgeht und stromab des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang mündet. Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch mehrere Abgasrückführleitungen umfassen, von denen vorzugsweise jeweils mindestens eine für die Durchführung einer ND-AGR und einer HD-AGR eingerichtet sind. Die Durchführung einer internen AGR während des ersten Betriebszustands und damit insbesondere während eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine vermeidet die Kondensationsproblematik, weil das dabei zurückgeführte Abgas weder aktiv gekühlt wird noch sich in einem relevanten Ausmaß passiv abkühlt.
Der erste Betriebszustand kann im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand weiterhin auch durch relativ niedrige Lasten und/oder Drehzahlen im Betrieb des Verbrennungsmotors, d.h. durch einen Teillastbetrieb, gekennzeichnet sein, weil auch damit relativ geringe Abgastemperaturen verbunden sind, so dass die Durchführung einer internen AGR vorteilhaft sein kann.
Das relativ frühe Schließen des Auslassventils während des Ausstoßtakts kann vorzugsweise durch ein entsprechendes Einstellen eines dem Auslassventil zugeordneten Phasenstellers bewirkt werden.
Das Öffnen des Auslassventils während des Ansaugtakts kann dagegen vorzugsweise als separater Öffnungsvorgang zusätzlich zu einem Öffnen des Auslassventils während des Ausstoßtakts durchgeführt werden. Dadurch kann, anders als bei einer relativ kleinen Ventilüberschneidung im Übergang zwischen dem Ausstoßtakt und dem Ansaugtakt, einerseits sichergestellt werden, dass ein ausreichend großes Druckgefälle zwischen dem Abgasstrang und dem Brennraum vorliegt, um ein Zurückströmen von Abgas aus dem Abgasstrang in den Brennraum zu gewährleisten. Andererseits kann durch ein solches zusätzliches Öffnen des Auslassventils während des Ausstoßtakts, das häufig auch als zweites Event bezeichnet wird, ein ausreichend langes und auch weites Öffnen des Auslassventils erreicht werden, ohne dass damit die Gefahr einer Kollision des Auslassventils mit einem Kolben des Verbrennungsmotors, der den Brennraum begrenzt und der in einem den Brennraum ausbildenden Zylinder beweglich geführt ist, einhergehen würde. Dies ermöglicht wiederum, grundsätzlich eine ausreichende Menge an Abgas in den Brennraum zurückzuführen.
Der separate Öffnungsvorgang beziehungsweise das zweite Event kann auf relativ einfache Weise und damit vorteilhaft durch eine Betätigung des Auslassventils mittels eines Nockens einer Nockenwelle, der zwei Nockenerhebungen aufweist, durchgeführt werden. Daraus folgt jedoch, dass dieser separate Öffnungsvorgang mit einem unveränderlichen Hubverlauf des Auslassventils durchgeführt wird, was wiederum verhindert, dass eine Einstellung der Menge des während dies Öffnungsvorgangs in den Brennraum zurückgeführten Abgases über einen veränderlichen Hubverlauf des Auslassventils eingestellt werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann insbesondere in Kombination mit einer Brennkraftmaschine zur Anwendung kommen, deren Abgasturbine eine Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG) und/oder ein Wastegate umfasst und/oder bei der eine Drosselklappe stromab des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang integriert ist.
Für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere eine Brennkraftmaschine, deren Verbrennungsmotor als (selbstzündender und qualitätsgeregelter) Dieselmotor ausgebildet ist, weil insbesondere bei einer solchen Diesel-Brennkraftmaschine mittels einer AGR vorteilhaft auf die Schadstoffemissionen im Abgas Einfluss genommen werden kann. Grundsätzlich vorteilhaft anwendbar ist ein erfindungsgemäßes Verfahren jedoch auch bei einer Brennkraftmaschine, deren Verbrennungsmotor als (fremdgezündeter und quantitätsgeregelter) Ottomotor oder als Kombination aus Diesel- und Ottomotor, d.h. z.B. als Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, ausgebildet ist.
Als (Abgas- oder Drossel-)Klappe wird erfindungsgemäß jede aktiv ansteuerbare Armatur verstanden, mittels der eine Mengenbeeinflussung einer in dem Frischgas- oder Abgasstrang strömenden und über diese Klappe geführten Gasströmung erzielt werden kann. Eine solche Klappe kann vorzugsweise in Form eines Klappenventils ausgebildet sein, kann jedoch auch andere Ausgestaltungen aufweisen.
Eine im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte Brennkraftmaschine kann insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines radbasierten und nicht schienengebundenen Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines PKWs oder eines LKWs, sein. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur direkten oder indirekten Bereitstellung einer Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
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 Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: in schematischer Darstellung eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine;
2a bis 2d: in vier Diagrammen verschiedene Betriebsparameter im Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß der 1.

Die in der 1 dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der als Viertakt-Hubkolbenmotor ausgebildet ist und betrieben wird und der eine Mehrzahl von Zylindern 2 ausbildet. Die Zylinder 2 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben 3 und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume, in denen Frischgas gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff wird dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung 4 (Motorsteuerung), mittels Injektoren (nicht dargestellt) direkt in die Brennräume eingespritzt. Das Verbrennen der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen führt zu zyklischen Auf- und Ab-Bewegungen der Kolben 3, die wiederum in bekannter Weise über nicht dargestellte Pleuel auf eine ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen werden, wodurch die Kurbelwelle rotierend angetrieben wird.
Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 1 über einen Frischgasstrang 5 zugeführt. Dazu wird Luft über eine Ansaugmündung 6 aus der Umgebung angesaugt, die anschließend in einem Luftfilter 7 gereinigt und daraufhin in einen Frischgasverdichter 8, der Teil eines Abgasturboladers ist, geführt wird. Zuvor kann die Luft mit Abgas, das zur Erzielung einer Niederdruck-Abgasrückführung über eine Abgasrückführleitung 9 geführt wurde, vermischt werden, wodurch dann dem Frischgasverdichter 8 Frischgas, das eine Mischung aus Luft und rückgeführtem Abgas ist, zugeführt wird. Die Abgasrückführleitung 9 zweigt aus einem Abgasstrang 10 und konkret stromab einer in diesen Abgasstrang 10 integrierten Abgasturbine 11, die ebenfalls Teil des Abgasturboladers ist, und stromauf einer in den Abgasstrang 10 integrierten Abgasklappe 15 ab und mündet stromauf des Frischgasverdichters 8 in den Frischgasstrang 5. In die Abgasrückführleitung 9 sind noch ein Abgaskühler 12 sowie ein mittels der Steuerungsvorrichtung 4 ansteuerbares Abgasrückführventil 13 integriert. Mittels des Abgaskühlers 12 kann das über die Abgasrückführleitung 9 geführte Abgas gekühlt werden, um u.a. die thermische Belastung des Frischgasverdichters 8 gering zu halten. Mittels des Abgasrückführventils 13 kann die Menge des über die Abgasrückführleitung 9 geführten Abgases beeinflusst beziehungsweise gesteuert werden.
Um jederzeit im Betrieb der Brennkraftmaschine ein ausreichendes Druckgefälle über der Abgasrückführleitung 9 einstellen zu können, ist in den Abgasstrang 10 die Abgasklappe 15 integriert, die ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 4 ansteuerbar ist. Durch ein zunehmendes Schließen der Abgasklappe 15, wodurch diese den dortigen freien Strömungsquerschnitt des Abgasstrangs 10 zunehmend verkleinert, kann im Bereich stromauf der Abgasklappe 15 und damit im Bereich des Abzweigs 14 der Abgasrückführleitung 9 ein Überdruck erzeugt werden, der insbesondere auch dann ein ausreichendes Druckgefälle über der Abgasrückführleitung 9 sicherstellt, wenn mittels des Frischgasverdichters 8 kein oder nur ein geringer Ladedruck in der Ladeluftstrecke (d.h. in dem Abschnitt des Frischgasstrangs 5, der zwischen dem Frischgasverdichter 8 und dem Verbrennungsmotor 1 gelegen ist) mit der entsprechenden Sogwirkung auf der stromauf gelegenen Seite des Frischgasverdichters 8 erzeugt wird.
Das Frischgas wird mittels des Frischgasverdichters 8 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 16 gekühlt und dann, gesteuert mittels Einlassventilen 17, den Brennräumen zugeführt. Der Antrieb des Frischgasverdichters 8 erfolgt mittels der Abgasturbine 11. Abgas, das bei der Verbrennung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 entstanden ist, wird, gesteuert mittels Auslassventilen 18, aus dem Verbrennungsmotor 1 und über den Abgasstrang 10 abgeführt. Dabei durchströmt das Abgas die Abgasturbine 11. Dies führt zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads (nicht dargestellt) der Abgasturbine 11, das über eine Welle 19 drehfest mit einem Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des Frischgasverdichters 8 verbunden ist.
Die Einlassventile 17 und die Auslassventile 18 des Verbrennungsmotors 1 werden im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 von einem nicht dargestellten Ventiltrieb betätigt. Der Ventiltrieb umfasst die Kurbelwelle, deren Rotation im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 über ein Getriebe (nicht dargestellt) auf zwei Nockenwellen (nicht dargestellt) übertragen wird, die dann über beispielsweise Kipphebel die Einlassventile 17 und die Auslassventile 18 betätigen.
Um bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit variierenden Lasten und Drehzahlen eine möglichst optimale Nutzung der Enthalpie des Abgases zur Erzeugung von Verdichtungsleistung mittels des Abgasturboladers zu realisieren, umfasst die Abgasturbine 11 eine mittels der Steuerungsvorrichtung 4 ansteuerbare Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG) 20. Diese kann in bekannter Weise eine Mehrzahl von in einem Einlasskanal der Abgasturbine 11 angeordneten Leitschaufeln umfassen, die individuell drehbar ausgebildet sind, wobei diese gemeinsame mittels einer Verstellvorrichtung verstellbar sind. In Abhängigkeit von den Drehstellungen der Leitschaufeln verengen diese den freien Strömungsquerschnitt in einem Einlasskanal der Abgasturbine 11 mehr oder weniger und beeinflussen zudem den Abschnitt der primären Anströmung des Turbinenlaufrads und die Ausrichtung dieser Anströmung.
Stromab des Frischgasverdichters 8 und des Ladeluftkühlers 16 ist in die Ladeluftstrecke des Frischgasstrangs 5 eine ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 4 ansteuerbare Drosselklappe 21 integriert.
Eine AGR kann bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 einerseits unter Verwendung der Abgasrückführleitung 9 durchgeführt werden, wodurch dann eine externe AGR realisiert wird. Alternativ besteht auch die Möglichkeit der Durchführung einer internen AGR, indem die Auslassventile 18, die stets im Rahmen der Durchführung eines Viertakt-Prozesses in jedem Zyklus einmal während des jeweiligen Ausstoßtakts geöffnet werden, zusätzlich noch einmal während des sich an den Ausstoßtakt direkt anschließenden Ansaugtakts geöffnet werden. Der jeweils zugehörige Kolben 3 befindet sich dann in einer den Brennraum vergrößernden Abwärtsbewegung, wodurch nicht nur Frischgas über das zu demselben Brennraum gehörige, zeitgleich geöffnete Einlassventil 17 aus dem Frischgasstrang sondern auch Abgas über das geöffnete Auslassventil 18 in den jeweiligen Brennraum eingebracht werden. Das zusätzliche Öffnen der Auslassventile 18 während des jeweiligen Ausstoßtakts wird erreicht, indem jeweils ein den Auslassventilen 18 zugeordneter Nocken der Nockenwelle(n) zwei Nockenerhebungen aufweist, wie dies beispielsweise aus der DE 10 2005 015 852 A1 bekannt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine solche interne AGR lediglich in einem ersten Betriebszustand und eine externe AGR lediglich in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wobei der erste Betriebszustand ausschließlich bei einem Teillastbetrieb, d.h. einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit relativ geringen Lasten und Drehzahlen, sowie ausschließlich in einem Warmlaufbetrieb, d.h. wenn der Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise die zur Kühlung des Verbrennungsmotors 1 genutzte Kühlflüssigkeit noch nicht ihren Dauerbetriebstemperaturbereich erreicht hat, durchgeführt wird.
Um zwischen den Betriebszuständen umzuschalten, sind jedem der Auslassventile zwei unterschiedliche Nocken der diese betätigenden Nockenwelle(n) zugeordnet, zwischen denen, gesteuert mittels der Steuerungsvorrichtung 4, mittels einer entsprechenden Schaltvorrichtung umgeschaltet werden kann (vgl. beispielsweise DE 10 2005 015 852 A1 ). Im ersten Betriebszustand wird zudem das Abgasrückführventil geschlossen gehalten, so dass dann der Abgasdruck p_4.1 in dem zwischen der Abgasturbine 11 und dem Abzweig 14 der Abgasrückführleitung 9 gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs 10 einerseits und der Abgasdruck p_4.2 in dem zwischen dem Abzweig 14 und der Abgasklappe 15 gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs 10 andererseits im Wesentlichen gleichgroß sind (dann vereinfacht als p₄ bezeichnet).
Eine Nutzung der Abgasklappe 15 zur Einstellung des Abgasdrucks in dem stromauf der Abgasklappe 15 gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs 10 erfolgt sowohl bei einer Durchführung einer externen AGR als auch einer internen AGR.
Die 2a bis 2d verdeutlichen, dass mittels der Abgasklappe 15 nicht nur der Druck p₄ in dem Abschnitt des Abgasstrangs 10, der zwischen der Abgasturbine 11 und der Abgasklappe 15 gelegen ist, sondern auch der Druck p₃ in dem zwischen dem Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise den Auslassventilen 18 und der Abgasturbine 11 gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs 10 beeinflusst werden kann. Bei der Durchführung einer externen AGR ist der Druck p₄ , der im Bereich des Abzweigs 14 der Abgasrückführleitung 9 anliegt, für die Größe des Druckgefälles über der Abgasrückführleitung 9 und damit für die Menge des über die Abgasrückführleitung 9 führbaren Abgases relevant. Der Druck p₃ beeinflusst dagegen direkt das Druckgefälle zwischen dem an den Verbrennungsmotor 1 angrenzenden Abschnitt des Abgasstrangs 10 und den Brennräumen bei während des jeweiligen Ausstoßtakts geöffneten Auslassventilen und damit die Menge des im Rahmen einer internen AGR zurückführbaren Abgases.
In den 2a bis 2d ist dargestellt, dass in einem (Teillast-)Betrieb der Brennkraftmaschine mit konstantem Ladedruck p₂ , konkret mit konstantem Ladedruck p_2.2 , der in dem Abschnitt des Frischgasstrangs 5, der zwischen der Drosselklappe 21 und dem Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise den Einlassventilen 17 gelegen ist, herrscht (vgl. 2d), durch ein zunehmendes Schließen der Abgasklappe 15 nicht nur der Druck p₄ (vgl. 2a) sondern in einem proportionalen Verhältnis auch der Druck p₃ (vgl. 2c) erhöht werden kann. Die 2b zeigt dabei noch, dass, um bei einer unverändert gehaltenen Stellung der Drosselklappe 21 einen konstanten Druck p_2.2 zu erzielen, die VTG der Abgasturbine 11 in geringem Ausmaß zunehmend geschlossen werden muss, um den Abfall der Verdichtungsleistung, die von dem Abgasturbolader aufgrund der sich verringernden Druckdifferenz über der Abgasturbine 11 bereitgestellt wird, zu kompensieren.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinder
3: Kolben
4: Steuerungsvorrichtung
5: Frischgasstrang
6: Ansaugmündung
7: Luftfilter
8: Frischgasverdichter
9: Abgasrückführleitung
10: Abgasstrang
11: Abgasturbine
12: Abgaskühler
13: Abgasrückführventil
14: Abzweig der Abgasrückführleitung
15: Abgasklappe
16: Ladeluftkühler
17: Einlassventil
18: Auslassventil
19: Welle
20: Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG)
21: Drosselklappe
p₁: Druck des Frischgases in dem Abschnitt des Frischgasstrangs unmittelbar stromauf des Frischgasverdichters
p_2.1: (Lade-)Druck des Frischgases in dem Abschnitt des Frischgasstrangs zwischen dem Frischgasverdichter und der Drosselklappe
p_2.2: (Lade-)Druck des Frischgases in dem Abschnitt des Frischgasstrangs zwischen der Drosselklappe und dem Verbrennungsmotor
p₃: Druck des Abgases in dem Abschnitt des Abgasstrangs zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasturbine
p_4.1: Druck des Abgases in dem Abschnitt des Abgasstrangs zwischen der Abgasturbine und dem Abzweig der Abgasrückführleitung
p_4.2: Druck des Abgases in dem Abschnitt des Abgasstrangs zwischen dem Abzweig der Abgasrückführleitung und der Abgasklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005053940 A1 [0005]
US 7841311 B2 [0009]
DE 102005015852 A1 [0010, 0037, 0039]
DE 102013004800 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Viertakt-Verbrennungsmotor (1), einen Frischgasstrang (5) und einen Abgasstrang (10) umfasst, wobei - in den Frischgasstrang (5) ein Frischgasverdichter (8) eines Abgasturboladers integriert ist, und - in den Abgasstrang (10) eine Abgasturbine (11) des Abgasturboladers und, stromab der Abgasturbine (11), eine Abgasklappe (15) integriert sind, wobei - für einen Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (1) die Zufuhr von Frischgas aus dem Frischgasstrang (5) mittels eines Einlassventils (17) gesteuert wird und die Abfuhr von Abgas in den Abgasstrang (10) mittels eines Auslassventils (18) gesteuert wird, wobei - ein relativ großer Abgasrückhalt in dem Brennraum bewirkt wird, indem das Auslassventil (18) während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors (1) relativ früh geschlossen wird, und/oder - eine interne AGR bewirkt wird, indem das Auslassventil (18) während eines Ansaugtakts des Verbrennungsmotors (1) geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des in dem Brennraum zurückgehaltenen und/oder die Menge des in den Brennraum zurückgeführten Abgases durch eine Verstellung der Abgasklappe (15) eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Betriebszustand ein relativ großer Abgasrückhalt in dem Brennraum bewirkt wird, indem das Auslassventil (18) während des Ausstoßtakts relativ früh geschlossen wird und/oder eine interne AGR bewirkt wird, indem das Auslassventil (18) während des Ansaugtakts geöffnet wird, und - in einem zweiten Betriebszustand ein minimaler oder ein relativ kleiner Abgasrückhalt in dem Brennraum und/oder keine interne AGR bewirkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand im Vergleich zu dem zweiten Betriebszustand durch relativ niedrige Lasten und/oder Drehzahlen im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) gekennzeichnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand während eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine weiterhin eine Abgasrückführleitung (9) umfasst, über die in dem zweiten Betriebszustand zur Durchführung einer externen AGR Abgas von dem Abgasstrang (10) zu dem Frischgasstrang (5) geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (9) ein Abgaskühler (12) integriert ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das relativ frühe Schließen des Auslassventils (17) während des Ausstoßtakts durch ein entsprechendes Einstellen eines dem Auslassventil (17) zugeordneten Phasenstellers bewirkt wird und/oder - das Öffnen des Auslassventils während des Ansaugtakts als separater Öffnungsvorgang zusätzlich zu einem Öffnen des Auslassventils (17) während des Ausstoßtakts durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Öffnen des Auslassventils (17) mit einem unveränderlichen Hubverlauf für das Auslassventil (17) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einer Brennkraftmaschine mit einem als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor (1).