DE102019102106B3 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine Download PDF

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Mario Medicke
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Abstract

Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung bereit, bei welcher das Ansprechverhalten bei geringer Drehzahl weiter verbessert ist. Die vorteilhafte Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Viertaktprinzip, wobei ein Arbeitszyklus einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt umfasst. Die Verbesserung des Ansprechverhaltens erfolgt dabei durch eine Erhöhung der Enthalpie in einem Auslasssystem der Brennkraftmaschine in Strömungsrichtung vor der Turbine des Abgasturboladers, wobei eine Nachverbrennung von Luft-Kraftstoffgemisch in einem Auslasskanal von wenigstens zwei Auslasskanälen der Brennkraftmaschine initialisiert wird und eine Weiterleitung bei geringem Wärmeverlust zur Turbine erfolgt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine nach dem Viertaktottomotorprinzip arbeitende Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Direkteinspritzung, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine.
  • Stand der Technik
  • Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen werden Abgasturbolader eingesetzt. Durch die Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie mittels des Abgasturboladers wird der Druck im Ansaugsystem und somit die Zylinderfüllung erhöht. Dabei bestehen unterschiedliche Anforderungen an den Abgasturbolader und das zugeordnete Abgassystem, welche sich aus den Betriebsanforderungen an die Brennkraftmaschine ergeben.
  • Für den Einsatz eines Abgasturboladers in nach dem Viertaktottomotorprinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen ergeben sich unterschiedliche, teilweise gegensätzliche Anforderungen für niedrige Drehzahlen und für hohe Drehzahlen innerhalb eines Drehzahlbereichs. Bei geringer Drehzahl der Brennkraftmaschine wird ein gutes Ansprechverhalten des Abgasturboladers gewünscht, so dass ein geforderter Lastsprung schnell umgesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu wird bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine eine hohe Nennleistung gewünscht. Es ergibt sich ein Zielkonflikt hinsichtlich der Dimensionierung des Abgasturboladers und der Abgasführung innerhalb des Abgassystems.
  • Um den Zielkonflikt ohne Einsatz ergänzender Aufladesysteme teilweise zu entspannen, wird die Abgasenthalpie zur Verbesserung des Ansprechverhaltens bei geringer Drehzahl der Brennkraftmaschine durch unterschiedliche Maßnahmen erhöht. Diese Maßnahmen können auf den Luftpfad, den Kraftstoffpfad oder auf die Zündung wirken. Insbesondere durch die Veränderung der Steuerzeiten der Gaswechselventile kann Einfluss auf die Abgasenthalpie genommen werden.
  • Zum Beispiel wird zur Erhöhung der Abgasenthalpie bei geringer Drehzahl die Brennkraftmaschine mit Ventilüberschneidung betrieben. Eine Überschneidung der Auslassventilöffnung und Einlassventilöffnung bewirkt bei einem positiven Spülgefälle zwischen Einlasssystem und Auslasssystem ein Überströmen von zusätzlicher Luft aus dem Einlasssystem in das Auslasssystem. Einerseits werden dadurch die Abgasausspülung und die Zylinderfüllung verbessert, was zu einer Steigerung der Leistung und somit zur Erhöhung der Abgasenthalpie führt. Andererseits wird durch die zusätzlich überströmte Luft in das Auslasssystem die Enthalpie im Auslasssystem nochmals erhöht. Die zusätzliche Luft verursacht jedoch auch eine Sauerstoffanreicherung im Abgassystem, worauf ein Anstieg des Schadgasausstoßes infolge fehlender Konvertierung im Abgaskatalysator oder ein Anstieg der thermischen Belastung des Katalysators durch exotherme Reaktionen folgen kann. Deshalb sollte ein bestimmter Sauerstoffanteil im Abgas nicht überschritten werden, was eine Einschränkung des durch die Ventilüberschneidung erreichbaren Potentials bedeutet.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 34 21 775 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, einem Einlasssystem und einem Auslasssystem bekannt. Das Einlasssystem umfasst einen Einlasskanal mit einem Einlassventil im Brennraum. Das Auslasssystem umfasst einen ersten Auslasskanal mit einem ersten Auslassventil im Brennraum, sowie einen zweiten Auslasskanal mit einem zweiten Auslassventil im Brennraum. Die Brennkraftmaschine weist weiter einen Ventiltrieb zur Betätigung des ersten Einlassventils, des ersten Auslassventils und des zweiten Auslassventils auf. Zudem ist ein Abgasturbolader vorgesehen, dessen Verdichter im Einlasssystem und dessen Turbine im Auslasssystem angeordnet sind. Im ersten Auslasskanal ist eine Zündeinrichtung vorgesehen, um eine Nachzündung von Brennstoff-Luft-Gemisch im Auslasskanal und somit eine Abgasenthalpieerhöhung zu ermöglichen.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 101 40 120 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader bekannt. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens wird die Brennkraftmaschine mit Ventilüberschneidung betrieben, wobei während der Ventilüberschneidung eine Kraftstoffeinspritzung stattfindet, die zu einem brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisch im Auslasssystem führt. Mittels einer zusätzlichen Zündeinrichtung im Abgastrakt wird das Luft-Kraftstoffgemisch gezündet und verbrannt, wodurch die Abgasenthalpie vor der Abgasturbine erhöht wird.
  • Zum Beispiel wird zur Erhöhung der Abgasenthalpie bei geringer Drehzahl die Brennkraftmaschine mit gegenüber einem herkömmlichen Betrieb veränderten Einlassventilsteuerzeiten betrieben, um einen entdrosselten Teillastbetrieb zu ermöglichen. Dazu wird die Brennkraftmaschine nach dem sogenannten Miller-Verfahren betrieben, bei welchem Einlassventile deutlich vor dem unteren Totpunkt, also noch im Einlasstakt geschlossen werden. Alternativ wird dazu die Brennkraftmaschine nach dem sogenannten Atkinson-Verfahren betrieben, bei welchem die Einlassventile deutlich nach dem unteren Totpunkt, also im Verdichtungstakt geschlossen werden. Die Zylinderfüllung wird demnach nicht mehr maßgeblich durch eine Drosselklappe bestimmt, sondern durch die Einlasssteuerzeiten. Durch die Früh- beziehungsweise Spätverstellung der Einlassventile kann somit eine Entdrosselung erfolgen und der Druck im Einlasssystem bis vor die Einlassventile erhöht werden. Im Falle eines Lastsprungs liegt dann im Einlasssystem bereits ein höherer Druck vor, wodurch die Zylinderfüllung verbessert wird. Weiter führt der Betrieb mit veränderten Einlassventilsteuerzeiten nach dem Miller- beziehungsweise Atkinson-Verfahren zu einer geringeren Prozesstemperatur, somit zu einer geringeren Klopfneigung und weiter zu einer Wirkungsgraderhöhung infolge der Entdrosselung. Die Verringerung der Klopfneigung wird dann weiter für eine Erhöhung der Verdichtung und somit für eine weitere Leistungssteigerung genutzt.
  • Zum Beispiel wird zur bedarfsgerechten Steuerung der Abgasenthalpie bei geringer Drehzahl die Brennkraftmaschine mit gegenüber einem herkömmlichen Betrieb veränderten Auslassventilhüben betrieben, wenn der jeweilige Zylinder über wenigstens zwei flutengetrennte Auslasskanäle mit dem Auslasssystem fluidverbunden ist. Aus der Patentschrift DE 10 2012 001 199 B4 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher eine dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasste Abgasenergie zur Verfügung gestellt wird. Dies wird durch eine gezielte Kühlung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases erreicht, wobei der Abgasmassenstrom durch unterschiedliche Strömungswege mit unterschiedlicher Kühlung geleitet wird. Der Abgasmassenstrom wird entweder vollständig auf einen der unterschiedlichen Strömungswege geleitet oder in einem bestimmten Verhältnis auf die unterschiedlichen Strömungswege variabel verteilt.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 110 558 A1 ist eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben dieser bekannt, bei welcher eine Nachverbrennung von Luft-Kraftstoffgemisch stromauf der Turbine im Abgaskrümmer zur Erhöhung der Abgasenthalpie führen soll. Dazu wird vorgeschlagen, dass zunächst durch ein erst nach dem unteren Totpunkt schließendes Einlassventil unverbranntes Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Brennraum in das Einlasssystem ausgeschoben und dort bis zum nächsten Ladungswechsel zwischengespeichert wird und anschließend mittels einer Ventilüberschneidung im folgenden Ladungswechsel direkt in das Auslasssystem zur Nachverbrennung überströmen kann.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Direkteinspritzung, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei welcher das Ansprechverhalten bei geringer Drehzahl weiter verbessert ist.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Direkteinspritzung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung bereit, bei welcher das Ansprechverhalten bei geringer Drehzahl weiter verbessert ist. Die vorteilhafte Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Viertaktprinzip, wobei ein Arbeitszyklus einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt umfasst. Die Verbesserung des Ansprechverhaltens erfolgt dabei durch eine Erhöhung der Enthalpie in einem Auslasssystem der Brennkraftmaschine in Strömungsrichtung vor der Turbine des Abgasturboladers, wobei eine Nachverbrennung von Luft-Kraftstoffgemisch in einem Auslasskanal von wenigstens zwei Auslasskanälen der Brennkraftmaschine initialisiert wird und eine Weiterleitung bei geringem Wärmeverlust zur Turbine erfolgt.
  • Es wird vorgeschlagen, dass nach dem Ende eines ersten Ladungswechsels durch ein im Verdichtungstakt geöffnetes Einlassventil unverbranntes Luft-Kraftstoffgemisch aus einem Brennraum der Brennkraftmaschine in das Einlasssystem ausgeschoben und dort bis zu einem auf den ersten Ladungswechsel folgenden zweiten Ladungswechsel zwischengespeichert wird und anschließend mittels einer Ventilüberschneidung in dem zweiten Ladungswechsel vom Einlasssystem über den Brennraum in das Auslasssystem zur Nachverbrennung und Weiterleitung überströmen kann. Demnach erfolgt eine Zwischenspeicherung von Luft-Kraftstoffgemisch im Einlasssystem, bis es während der nächsten Ventilüberschneidung vom Einlasssystem in das Auslasssystem überströmen kann.
  • Die Brennkraftmaschine weist dazu in einem Zylinderkopf für wenigstens einen Zylinder wenigstens ein Einlassventil auf, welches den Brennraum, der durch einen Kolben, einen Zylinderblock und den Zylinderkopf gebildet wird, von einem dem Einlassventil zugeordneten Einlasskanal im Zylinderkopf trennt. Der Einlasskanal bildet einen Teil des Einlasssystems, innerhalb welchem ein Verdichter des Abgasturboladers angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine weist weiter wenigstens ein erstes Auslassventil und ein zweites Auslassventil auf, um den Brennraum von einem dem ersten Auslassventil zugeordneten ersten separaten Auslasskanal im Zylinderkopf und von einem dem zweiten Auslassventil zugeordneten zweiten separaten Auslasskanal im Zylinderkopf zu trennen. Die Auslasskanäle erstrecken sich zumindest teilweise innerhalb des Zylinderkopfes und bilden einen Teil des Auslasssystems, innerhalb welchem eine Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist der erste Auslasskanal mit einer Einrichtung zur Initialisierung einer Nachverbrennung, also einer Zündeinrichtung ausgestattet. Die Einrichtung zur Initialisierung einer Nachverbrennung ist vorzugsweise als katalytische Zündeinrichtung in Form einer Beschichtung ausgebildet. Alternativ ist die Einrichtung zur Initialisierung einer Nachverbrennung als Zündquelle ausgeführt, bei welcher heiße Oberflächen, mechanisch oder elektrisch erzeugte Funken, ionisierende Strahlung oder elektromagnetische Felder beziehungsweise Strahlungen zum Einsatz kommen, insbesondere elektrische Zündkerzen, Glühstifte oder Laserzündungen. Zudem kann die Zündeinrichtung auch eine Sekundärluftzuführung aufweisen, um einen erforderlichen Sauerstoffgehalt im Abgas für eine Nachverbrennung bereitzustellen. Der erste Auslasskanal ist demnach derart ausgeführt, dass durch die Zündeinrichtung das im ersten Auslasskanal befindliche Luft-Kraftstoffgemisch verbrannt und zur Turbine des Abgasturboladers weitergeleitet wird.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind der erste Auslasskanal und der zweite Auslasskanal eines Zylinders hinsichtlich einer Kühlwirkung auf das durchströmende Gasgemisch unterschiedlich ausgeführt. Der erste Auslasskanal und der zweite Auslasskanal sind derart ausgestaltet, dass dem durch den ersten Auslasskanal strömenden Gasgemisch deutlich weniger Wärme entzogen wird, als dem durch den zweiten Auslasskanal strömenden Gasgemisch. In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise weist der erste Auslasskanal eine thermische Isolierung auf, so dass dem durchströmenden Gasgemisch so wenig wie möglich Wärme entzogen wird. Diese thermische Isolierung ist derart ausgeführt, dass eine Wärmeleitung vom im ersten Auslasskanal strömenden Gasgemisch zu einem Brennkraftmaschinenkühlsystem verringert ist. Diese thermische Isolierung kann in vorteilhafter Weise aus einer keramischen Schicht gebildet sein. In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise weist der zweite Auslasskanal eine Kühlung auf, so dass dem durchströmenden Gasgemisch Wärme entzogen wird. Der erste Auslasskanal weist keine zusätzliche oder zumindest eine gegenüber dem zweiten Auslasskanal geringere Kühlung auf, welche mit dem Brennkraftmaschinenkühlsystem verbunden ist. Der erste Auslasskanal ist demnach derart ausgeführt, dass die Weiterleitung des verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs durch die thermische Isolierung bei im Vergleich zu einer Weiterleitung von Abgas durch den zweiten Auslasskanal bei geringerem Wärmeverlust erfolgt, so dass eine effektive Erhöhung der Enthalpie erfolgen kann.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist die Zündeinrichtung in Strömungsrichtung des Luft-Kraftstoffgemisches im ersten Auslasskanal vor der thermischen Isolierung angeordnet, so dass das Luft-Kraftstoffgemisch für die Nachverbrennung entzündet wird und anschließend in Strömungsrichtung eine Weiterleitung bei geringem Wärmeverlust zur Turbine erfolgen kann. Dabei erstreckt sich die thermische Isolierung zumindest teilweise über den weiteren Verlauf des ersten Auslasskanals. Die thermische Isolierung kann sich zudem wenigstens teilweise über einen an den ersten Auslasskanal angeschlossenen Auslasskrümmer im Auslasssystem erstrecken.
  • In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist die Zündeinrichtung mit der thermischen Isolierung kombiniert. Insbesondere ist diese Kombination als keramische Beschichtung ausgeführt, welche wiederrum mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist, so dass das Gasgemisch im ersten Auslasskanal gegenüber dem Zylinderkopf mittels der keramischen Schicht thermisch isoliert ist und mittels der katalytischen Beschichtung entzündet wird.
  • Die Brennkraftmaschine weist weiter einen Ventiltrieb auf, mittels welchem das Einlassventil, das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil betätigt, also geöffnet werden. Der Ventiltrieb ist derart ausgestaltet, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels zwischen Auslasstakt und Einlasstakt der Brennkraftmaschine eine Ventilüberschneidung von erstem Auslassventil und dem Einlassventil vorliegt. Der Ventiltrieb ist weiter derart ausgestaltet, dass das Einlassventil im Bereich nach dem unteren Totpunkt zwischen Einlasstakt und Verdichtungstakt, also im Verdichtungstakt geöffnet ist. Dabei kann eine Öffnung des Einlassventils innerhalb eines Ladungswechsels einmalig erfolgen, so dass die Arbeitsweise des Einlassventils dem Atkinson-Verfahren entspricht, oder mehrfach erfolgen, so dass die Arbeitsweise des Einlassventils dem Miller-Verfahren entspricht und eine zusätzliche Öffnung des Einlassventils im Verdichtungstakt erfolgt.
  • Der Ventiltrieb ist weiter derart ausgestaltet, dass das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil unterschiedlich betätigt werden. Insbesondere ist der Ventiltrieb derart ausgebildet, dass eine Abschaltung des zweiten Auslassventils erfolgen kann, so dass die Ventilüberschneidung im Bereich des oberen Totpunktes zwischen Auslasstakt und Einlasstakt nur zwischen dem Einlassventil und dem ersten Auslassventil besteht. Dazu kann das zweite Auslassventil über den gesamten Ladungswechsel oder wenigstens im Bereich der Ventilüberschneidung abgeschaltet sein. Alternativ ist der Ventiltrieb derart ausgestaltet, dass während der Ventilüberschneidung das zweite Auslassventil mit einer gegenüber dem ersten Auslassventil geringeren effektiven Öffnung betätigt wird. Als effektive Öffnung ist dabei das Integral aus Öffnungsdauer und Hub zu verstehen. Wird das zweite Auslassventil nicht geöffnet, ist die effektive Öffnung des zweiten Auslassventils null.
  • Demnach ist der Ventiltrieb derart ausgebildet, dass für eine Erhöhung der Abgasenthalpie im Auslasssystem in Strömungsrichtung vor der Turbine des Abgasturboladers das Einlassventil im Bereich nach dem unteren Totpunkt zwischen Einlasstakt und Verdichtungstakt geöffnet ist, so dass in einem ersten Ladungswechsel des Zylinders Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Brennraum in den Einlasskanal des Einlasssystems rückgeführt wird und im Bereich des oberen Totpunktes zwischen Auslasstakt und Einlasstakt das erste Auslassventil und das Einlassventil geöffnet sind, so dass in dem auf den ersten Ladungswechsel folgenden zweiten Ladungswechsel des Zylinders das zwischengespeicherte Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Einlasskanal des Einlasssystems in den ersten Auslasskanal des Auslasssystems überströmt.
  • Der Ventiltrieb ist weiter derart ausgestaltet, dass durch die unterschiedliche Betätigung des ersten Auslassventils und des zweiten Auslassventils für eine bedarfsgerechte Erhöhung der Enthalpie im Auslasssystem das Gasgemisch aus dem Brennraum zwischen dem ersten Auslasskanal und dem zweiten Auslasskanal aufgeteilt wird, wobei im ersten Auslasskanal die Nachverbrennung und Weiterleitung ohne zusätzliche Kühlung und im zweiten Auslasskanal eine Weiterleitung mit zusätzlicher Kühlung erfolgt. Dabei ist der Ventiltrieb derart ausgestaltet, dass im Bereich des oberen Totpunktes zwischen Auslasstakt und Einlasstakt der Brennkraftmaschine eine Ventilüberschneidung nur von dem ersten Auslassventil und dem Einlassventil vorliegt, so dass innerhalb des Auslasstaktes noch vor der Ventilüberschneidung zuerst Abgas aus dem Brennraum über das zweite Auslassventil und den zweiten Auslasskanal in das Auslasssystem überströmt und anschließend während der Ventilüberschneidung das zwischengespeicherte Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Einlasskanal des Einlasssystems nur in den ersten Auslasskanal des Auslasssystems überströmt. Damit wird das pulsierende Enthalpieangebot im Auslasssystem gegenüber einer symmetrischen Betätigung von erstem Auslassventil und zweitem Auslassventil gedämpft und vergleichmäßigt.
  • Vorzugsweise ist der Ventiltrieb als variabler Ventiltrieb ausgeführt, mittels welchem die Steuerzeiten und / oder die Hubcharakteristik des Einlassventils, des ersten Auslassventils und des zweiten Auslassventils veränderbar sind. Dadurch kann eine Steuerung der Menge des in das Einlasssystem ausgeschobenen und darin zwischengespeicherten Luft-Kraftstoffgemisches und auch die Menge des vom Einlasssystem in das Auslasssystem überströmenden Luft-Kraftstoffgemisches entsprechend einer geforderten Enthalpieerhöhung gesteuert werden.
  • Mittels der Direkteinspritzung der Brennkraftmaschine wird das zündfähige Luft-Kraftstoffgemisch bereitgestellt. Die Kraftstoffdirekteinspritzung einer erforderlichen Kraftstoffmenge beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt während des Einlasstaktes in die aus dem Einlasskanal in den Brennraum einströmende Frischluft. In vorteilhafter Weise erfolgt während der Ventilüberschneidung keine Kraftstoffdirekteinspritzung von Kraftstoff. Die erforderliche Kraftstoffmenge wird dabei derart bemessen, dass sich im Auslasssystem in Strömungsrichtung vor der Turbine des Abgasturboladers ein zünd- und brennfähiges Luft-Kraftstoffgemisch bildet. Dazu wird im Einlasstakt ein unterstöchiometrisches, sauerstoffarmes Luft-Kraftstoffverhältnis gebildet, so dass die im Anschluss während der Ventilüberschneidung einströmende Frischluft zu einer Verdünnung des Gasgemisches im Brennraum und somit zum zünd- und brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisch im Auslasssystem führt.
  • Die Erfindung stellt weiter ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung bereit, bei welcher das Ansprechverhalten bei geringer Drehzahl weiter verbessert ist. Die Verbesserung des Ansprechverhaltens erfolgt dabei durch die Erhöhung der Enthalpie in dem Auslasssystem der Brennkraftmaschine in Strömungsrichtung vor der Turbine des Abgasturboladers durch die Nachverbrennung von Luft-Kraftstoffgemisch in dem ersten Auslasskanal der Brennkraftmaschine. Weiter erfolgt die Weiterleitung des verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs zur Turbine des Abgasturboladers durch die thermische Isolierung bei geringem Wärmeverlust, so dass eine effektive Erhöhung der Enthalpie erfolgt.
  • Dazu wird vorgeschlagen, dass mittels des Ventiltriebs in dem ersten Ladungswechsel des Zylinders das Einlassventil während des Einlasstaktes geöffnet ist und mittels der Direkteinspritzung eine Kraftstoffdirekteinspritzung erfolgt, so dass durch die aus dem Einlasskanal in den Brennraum einströmende Frischluft und dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff im Brennraum ein Luft-Kraftstoffgemisch gebildet wird, anschließend mittels des Ventiltriebs das Einlassventil nach dem Ende des ersten Ladungswechsels im Bereich nach dem unteren Totpunkt zwischen Einlasstakt und Verdichtungstakt geöffnet ist, so Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Brennraum in den Einlasskanal des Einlasssystems überströmt und bis zu dem zweiten Ladungswechsel zwischengespeichert wird, anschließend mittels des Ventiltriebs in dem zweiten Ladungswechsel des Zylinders im Bereich des oberen Totpunktes zwischen Auslasstakt und Einlasstakt das erste Auslassventil und das Einlassventil für eine Ventilüberschneidung geöffnet ist und während der Ventilüberschneidung mittels der Direkteinspritzung keine Kraftstoffdirekteinspritzung erfolgt, so dass das zwischengespeicherte Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Einlasskanal des Einlasssystems in den ersten Auslasskanal des Auslasssystems überströmt und anschließend mittels der Zündeinrichtung zur Initialisierung der Nachverbrennung das im ersten Auslasskanal befindliche Luft-Kraftstoffgemisch verbrannt und die Weiterleitung des verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs zur Turbine des Abgasturboladers durch die thermische Isolierung im ersten Auslasskanal bei gegenüber einer Weiterleitung von Abgas durch den zweiten Auslasskanal geringerem Wärmeverlust erfolgt.
  • Vorteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass durch die Rückförderung in das Einlasssystem genügend Zeit für eine Gemischbildung zur Verfügung steht, so dass eine ausreichende Verdampfung von flüssig eingespritztem Kraftstoff erfolgen kann. Durch die Rückförderung kann weiter eine Entdrosselung erfolgen, so dass im Einlasssystem ein höherer Druck herrscht. Dies führt zu einer besseren Ausnutzung der Ventilüberschneidung, da für ein Überströmen ein höheres Spüldruckgefälle zur Verfügung steht.
  • In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Öffnung des Einlassventils mittels des Ventiltriebs während des Einlasstaktes nach dem Miller-Verfahren, so dass das Einlassventil im Verdichtungstakt für die Rückströmung des Luft-Kraftstoffgemisches erneut geöffnet wird. Alternativ erfolgt die Öffnung des Einlassventils mittels des Ventiltriebs während des Einlasstaktes nach dem Atkinson-Verfahren, so dass das Einlassventil über das Ende des Einlasstaktes hinaus bis in den Verdichtungstakt geöffnet bleibt.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine kann zudem Verwendung finden, um mittels der Erhöhung der Abgasenthalpie im Falle eines Kaltstarts und Warmlaufs der Brennkraftmaschine die Aufwärmung des Abgastraktes, insbesondere von Abgasnachbehandlungseinrichtungen zu beschleunigen.
  • Ausführungsbeispiel Brennkraftmaschine
  • Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit Abgasturbolader 2 und Direkteinspritzung 3 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
    • 1: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 und
    • 2: eine schematische Darstellung von Ventilsteuerzeiten beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1.
  • Das Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 mit Abgasturbolader 2 und Direkteinspritzung 3, dargestellt in 1, weist in einem Brennraum 4 ein Einlassventil 5, ein erstes Auslassventil 6, ein zweites Auslassventil 7 und die Direkteinspritzung 3 auf. Dem Einlassventil 5 ist ein Einlasskanal 8 in einem Einlasssystem 9 zugeordnet. Dem ersten Auslassventil 6 ist ein erster Auslasskanal 10 in einem Auslasssystem 11 und dem zweiten Auslassventil 7 ein zweiter Auslasskanal 12 in dem Auslasssystem 11 zugeordnet. Im Einlasssystem 9 ist ein Verdichter 13 des Abgasturboladers 2 angeordnet. Im Auslasssystem 11 ist eine Turbine 14 des Abgasturboladers 2 angeordnet. Der erste Auslasskanal 10 ist mit einer Zündeinrichtung 15 in Form einer katalytisch wirksamen Beschichtung und einer thermischen Isolierung 16 ausgestattet. Der zweite Auslasskanal 12 ist mit einer Kühlung 17 ausgestattet. Die Brennkraftmaschine 1 weist weiter einen Ventiltrieb 18 auf, mittels welchem das Einlassventil 5, das erste Auslassventil 6 und das zweite Auslassventil 7 für eine Erhöhung der Enthalpie im Auslasssystem 11 mit bestimmten Ventilsteuerzeiten betätigt werden, dargestellt in 2, wobei zur Realisierung einer Ventilüberschneidung 19 das erste Auslassventil 6 und das Einlassventil 5 im Bereich des oberen Totpunktes 24 zwischen Auslasstakt 21 und Einlasstakt 22 geöffnet sind und weiter zur Realisierung einer Zwischenspeicherung im Einlasssystem 9 das Einlassventil 5 im Verdichtungstakt 23 geöffnet ist. Insbesondere ist der Ventiltrieb 18 derart ausgestaltet, dass während der Ventilüberschneidung 19 das zweite Auslassventil 7 mit einer gegenüber dem ersten Auslassventil 6 geringeren effektiven Öffnung betätigt wird.
  • Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
  • Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
    • 3A, 3B, 3C, 3D: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 in verschiedenen Zuständen, und
    • 4: eine schematische Darstellung von Ventilsteuerzeiten beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1.
  • Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 für eine Erhöhung der Enthalpie in dem Auslasssystem 11, dargestellt in 3A, 3B, 3C, 3D, umfasst eine Zwischenspeicherung von im Brennraum 4 hergestelltem Luft-Kraftstoffgemisch im Einlasssystem 9 durch das mittels des Ventiltriebs 18 während des Verdichtungstakts 23 geöffneten Einlassventils 5, dargestellt in 3B, ein Überströmen des gespeicherten Luft-Kraftstoffgemischs vom Einlasssystem 9 in das Auslasssystem 11 durch die mittels des Ventiltriebs 18 im Bereich des oberen Totpunkts 24 zwischen Auslasstakt 21 und Einlasstakt 22 dargestellte Ventilüberschneidung 19 von erstem Auslassventil 6 und Einlassventil 5, eine katalytisch initiierte Nachverbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs im ersten Auslasskanal 10 des Auslasssystems 11 durch die Zündeinrichtung 15 und eine Weiterleitung des verbrannten Luft- Kraftstoffgemisches durch den ersten Auslasskanal 10 zur Turbine 14 des Abgasturboladers 2 durch die thermische Isolierung 16 bei gegenüber einer Weiterleitung von Abgas durch den zweiten Auslasskanal 12 geringerem Wärmeverlust, dargestellt in 3D.
  • Dazu wird im Einzelnen in einem ersten Schritt das Einlassventil 5 mittels des Ventiltriebs 18 während des Einlasstaktes 22 nach dem Miller-Verfahren geöffnet, dargestellt in 4, und mittels der Direkteinspritzung 3 eine Kraftstoffdirekteinspritzung durchgeführt, wenn die Ventilüberschneidung 19 beendet ist, so dass durch die aus dem Einlasskanal 8 in den Brennraum 4 einströmende Frischluft und dem in den Brennraum 4 eingespritzten Kraftstoff im Brennraum 4 ein Luft-Kraftstoffgemisch gebildet wird, dargestellt in 3A. In einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt wird mittels des Ventiltriebs 18 das Einlassventil 5 im auf den Einlasstakt 22 folgenden Verdichtungstakt 23 nochmals geöffnet, so dass ein Teil des Luft-Kraftstoffgemisches aus dem Brennraum 4 in den Einlasskanal 8 des Einlasssystems 9 überströmt und bis zu einem nächsten Ladungswechsel zwischengespeichert wird, dargestellt in 3B. In einem auf den zweiten Schritt folgenden dritten Schritt wird das im Brennraum 4 verbliebene Luft-Kraftstoffgemisch im auf den Verdichtungstakt 23 folgenden Arbeitstakt 20 entzündet, verbrannt und im auf den Arbeitstakt 20 folgenden Auslasstakt 21 über das mittels des Ventiltriebs 18 geöffnete erste Auslassventil 6 und / oder zweite Auslassventil 7 in das Auslasssystem 11 ausgeschoben, dargestellt in 3C. In einem auf den dritten Schritt folgenden vierten Schritt wird mittels des Ventiltriebs 18 das erste Auslassventil 6 und das Einlassventil 5 im Bereich des oberen Totpunktes 24 zwischen Auslasstakt 21 und Einlasstakt 22 für die Ventilüberschneidung 19 geöffnet, so dass das zwischengespeicherte Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Einlasskanal 8 des Einlasssystems 9 in den ersten Auslasskanal 10 des Auslasssystems 11 überströmt, mittels der Zündeinrichtung 15 entzündet und das verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch durch den ersten Auslasskanal 10 zur Turbine 14 des Abgasturboladers 2 mittels der thermischen Isolierung 16 bei gegenüber einer Weiterleitung von Abgas durch den zweiten Auslasskanal 12 geringerem Wärmeverlust weitergeleitet wird und somit zu einer Erhöhung der Enthalpie im Auslasssystem 11 vor der Turbine 14 führt, dargestellt in 3D.
  • Beispielhaft wird hier eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
    • 5: eine schematische Darstellung von Ventilsteuerzeiten beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1.
  • Das alternative Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 für eine Erhöhung der Enthalpie in dem Auslasssystem 11 umfasst eine Zwischenspeicherung von im Brennraum 4 hergestelltem Luft-Kraftstoffgemisch im Einlasssystem 9, ein Überströmen des gespeicherten Luft-Kraftstoffgemischs vom Einlasssystem 9 in das Auslasssystem 11, eine katalytisch initiierte Nachverbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs im ersten Auslasskanal 10 des Auslasssystems 11 und eine Weiterleitung des verbrannten Luft- Kraftstoffgemisches durch den ersten Auslasskanal 10 zur Turbine 14 des Abgasturboladers 2 bei geringem Wärmeverlust.
  • Beim alternativen Ausführungsbeispiel wird im Einzelnen in einem ersten Schritt das Einlassventil 5 mittels des Ventiltriebs 18 während des Einlasstaktes 22 und Verdichtungstaktes 23 nach dem Atkinson-Verfahren geöffnet, dargestellt in 5, und mittels der Direkteinspritzung 3 eine Kraftstoffdirekteinspritzung durchgeführt, wenn die Ventilüberschneidung 19 beendet ist, dargestellt in 3A. In einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt bleibt das Einlassventil 5 bis in den auf den Einlasstakt 22 folgenden Verdichtungstakt 23 geöffnet, so dass ein Teil des Luft-Kraftstoffgemisches aus dem Brennraum 4 in den Einlasskanal 8 des Einlasssystems 9 zurückströmt und bis zu einem nächsten Ladungswechsel zwischengespeichert wird, dargestellt in 3B. In dem auf den zweiten Schritt folgenden dritten Schritt wird das im Brennraum 4 verbliebene Luft-Kraftstoffgemisch im auf den Verdichtungstakt 23 folgenden Arbeitstakt 20 entzündet, verbrannt und im Auslasstakt 21 in das Auslasssystem 11 ausgeschoben, dargestellt in 3C. In einem auf den dritten Schritt folgenden vierten Schritt wird mittels des Ventiltriebs 18 die Ventilüberschneidung 19 dargestellt, so dass das zwischengespeicherte Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Einlasskanal 8 des Einlasssystems 9 in den ersten Auslasskanal 10 des Auslasssystems 11 überströmt, entzündet und das verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch bei geringerem Wärmeverlust zur Turbine 14 des Abgasturboladers 2 weitergeleitet, dargestellt in 3D.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasturbolader
    3
    Direkteinspritzung
    4
    Brennraum
    5
    Einlassventil
    6
    erstes Auslassventil
    7
    zweites Auslassventil
    8
    Einlasskanal
    9
    Einlasssystem
    10
    erster Auslasskanal
    11
    Auslasssystem
    12
    zweiter Auslasskanal
    13
    Verdichter
    14
    Turbine
    15
    Zündeinrichtung
    16
    thermische Isolierung
    17
    Kühlung
    18
    Ventiltrieb
    19
    Ventilüberschneidung
    20
    Arbeitstakt
    21
    Auslasstakt
    22
    Einlasstakt
    23
    Verdichtungstakt
    24
    oberer Totpunkt

Claims (6)

  1. Brennkraftmaschine (1) aufweisend - ein Einlasssystem (9) mit einem Einlasskanal (8), - ein Auslasssystem (11) mit einem ersten Auslasskanal (10), wobei der erste Auslasskanal (10) mit einer Zündeinrichtung (15) und einer thermischen Isolierung (16) ausgestattet ist, und mit einem zweiten Auslasskanal (12), wobei der zweite Auslasskanal (12) mit einer Kühlung (17) ausgestattet ist, - einen Brennraum (4) mit einem Einlassventil (5), wobei dem Einlassventil (5) der Einlasskanal (8) zugeordnet ist, mit einem ersten Auslassventil (6), wobei dem ersten Auslassventil (6) der erste Auslasskanal (10) zugeordnet ist, mit einem zweiten Auslassventil (7), wobei dem zweiten Auslassventil (7) der zweite Auslasskanal (12) zugeordnet ist, und mit einer Direkteinspritzung (3), - einen Abgasturbolader (2), wobei ein Verdichter (13) des Abgasturboladers (2) im Einlasssystem (9) und eine Turbine (14) des Abgasturboladers (2) im Auslasssystem (11) angeordnet ist, und - einen Ventiltrieb (18) zur Betätigung des Einlassventils (5), des ersten Auslassventils (6) und des zweiten Auslassventils (7) für eine Erhöhung der Enthalpie im Auslasssystem (11), wobei zur Realisierung einer Ventilüberschneidung (19) das erste Auslassventil (6) und das Einlassventil (5) im Bereich des oberen Totpunktes (24) zwischen Auslasstakt (21) und Einlasstakt (22) und weiter zur Realisierung einer Zwischenspeicherung im Einlasssystem (9) das Einlassventil (5) im Verdichtungstakt (23) geöffnet ist.
  2. Brennkraftmaschine (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ventiltriebs (18) während der Ventilüberschneidung (19) das zweite Auslassventil (7) mit einer gegenüber dem ersten Auslassventil (6) geringeren effektiven Öffnung geöffnet ist.
  3. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei für eine Erhöhung der Enthalpie in dem Auslasssystem (11), - eine Zwischenspeicherung von im Brennraum (4) hergestelltem und durch das mittels des Ventiltriebs (18) während des Verdichtungstakts (23) geöffnete Einlassventil (5) rückgeführtem Luft-Kraftstoffgemisch im Einlasssystem (9), - ein Überströmen des gespeicherten Luft-Kraftstoffgemischs vom Einlasssystem (9) in das Auslasssystem (11) durch die mittels des Ventiltriebs (18) im Bereich des oberen Totpunkts (24) zwischen Auslasstakt (21) und Einlasstakt (22) dargestellte Ventilüberschneidung (19) von erstem Auslassventil (6) und Einlassventil (5), - eine initiierte Nachverbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs im ersten Auslasskanal (10) des Auslasssystems (11) durch die Zündeinrichtung (15) - und eine Weiterleitung des verbrannten Luft- Kraftstoffgemisches durch den ersten Auslasskanal (10) zur Turbine (14) des Abgasturboladers (2) durch die thermische Isolierung (16) bei gegenüber einer Weiterleitung von Abgas durch den zweiten Auslasskanal (12) geringerem Wärmeverlust erfolgt.
  4. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine (1) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (5) mittels des Ventiltriebs (18) während des Einlasstaktes (22) nach dem Miller-Verfahren geöffnet wird und im auf den Einlasstakt (22) folgenden Verdichtungstakt (23) nochmals geöffnet wird.
  5. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine (1) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (5) mittels des Ventiltriebs (18) während des Einlasstaktes (22) und Verdichtungstaktes (23) nach dem Atkinson-Verfahren geöffnet wird.
  6. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine (1) nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Direkteinspritzung (3) eine Kraftstoffdirekteinspritzung durchgeführt wird, wenn die Ventilüberschneidung (19) beendet ist.
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