DE102019113734A1

DE102019113734A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung bei erhöhter Lastanforderung

Info

Publication number: DE102019113734A1
Application number: DE102019113734.9A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Johannes Bunkus; Ingo Blei; Christian Heimermann; Stephan Kellner; Lucas Mathusall
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor 1, der einen oder mehrere Brennräume 4 ausbildet, einen Frischgasstrang 5 mit einem Frischgasverdichter 6 eines Abgasturboladers sowie einen Abgasstrang 8 mit einer Abgasturbine 7 des Abgasturboladers umfasst. Ein Ausbringen von Abgas aus dem oder den Brennräumen 4 ist jeweils mittels mindestens eines Auslassventils 10 steuerbar, wobei das oder die Auslassventile 10 mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung 11 betätigbar ist/sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils 10 oder zumindest einiger der Auslassventile 10 während des Ausstoßtakts in dem jeweils zugehörigen Brennraum 4 veränderbar ist. Während eines Heizbetriebs wird die Ventilöffnung des oder der Auslassventile 10 im Vergleich zu einem Normalbetrieb kleiner eingestellt, um relativ heißes sowie stark gepulstes Abgas zu erzeugen. Der Heizbetrieb wird zumindest zeitweise durchgeführt, wenn ein angeforderter Soll-Ladedruck größer als ein gleichzeitig vorliegender Ist-Ladedruck des Frischgases im Frischgasstrang 5 ist. Der Heizbetrieb wird spätestens dann wieder beendet, wenn der Ist-Ladedruck den gleichzeitig angeforderten Soll-Ladedruck wieder erreicht hat. Dadurch kann nach einer erhöhten Lastanforderung an den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 eine möglichst schnelle Erhöhung der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 1 realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen, zumindest solche, die für einen Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, sind üblicherweise aufgeladen, wodurch insbesondere eine relativ hohe spezifische Leistungsabgabe (bezogen auf die Größe) der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Eine Aufladung einer Brennkraftmaschine erfolgt dabei mittels mindestens eines in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Frischgasverdichters, der zumeist Teil eines Abgasturboladers ist. Ein solcher Abgasturbolader umfasst weiterhin eine in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasturbine, die ein Turbinenlaufrad aufweist, das durch einen von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstrom rotierend angetrieben wird, wobei diese Rotation des Turbinenlaufrads auf ein Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters übertragen wird. Das rotierende Verdichterlaufrad bewirkt dann die angestrebte Verdichtung des Frischgases.
Ein Problem, das sich bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zeigen kann, ist eine verzögerte Leistungserhöhung nach einer erhöhten Lastanforderung, was darin begründet ist, dass die erhöhte Lastanforderung zunächst zu einem größeren Abgasmassenstrom führen muss, um durch eine erhöhte Antriebsleistung der Abgasturbine des Abgasturboladers eine erhöhte Verdichtung des Frischgases wirken zu können, die schließlich zur Erzeugung einer durch die Verdichtung ermöglichten höheren Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ausgenutzt werden kann.
Aus der DE 10 2004 016 386 B4 ist es bekannt, nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine die den Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeordneten Auslassventile temporär mit im Vergleich zu einem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnungen zu betätigen, wodurch die Ladungswechselarbeit, die für ein Ausstoßen von Abgas über die Auslassventile erforderlich ist, erhöht und damit das Abgas mit einer relativ hohen Temperatur in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine abgeführt wird. Dadurch kann ein möglichst schnelles Erwärmen einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung bewirkt werden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine anzugeben, die sich durch ein relativ gutes dynamisches Betriebsverhalten, d.h. durch eine relativ schnelle Leistungserhöhung nach einer erhöhten Lastanforderung, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, die der Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für ein Kraftfahrzeug dient, vorgesehen. Bei einem solchen Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) handeln. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine umfasst einen (Viertakt-)Verbrennungsmotor, der einen Brennraum oder mehrere Brennräume ausbildet. Weiterhin umfasst eine solche Brennkraftmaschine einen einen Frischgasverdichter eines Abgasturboladers integrierenden Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor sowie einen eine Abgasturbine des Abgasturboladers integrierenden Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor. Ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum oder den Brennräumen (und in den Abgasstrang) ist mittels mindestens eines dem Brennraum oder mittels jeweils mindestens einem den Brennräumen zugeordneten Auslassventils steuerbar, wobei das Auslassventil oder die Auslassventile mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist/sind, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors mittels dieser die Ventilöffnung, d.h. die sich aus der Kombination aus Öffnungsdauer und Öffnungshub ergebende Gesamtöffnung, des Auslassventils oder die Ventilöffnungen zumindest einige der Auslassventile (nachfolgend als variable Auslassventile zeichnet) während des Ausstoßtakts in dem jeweils zugehörigen Brennraum veränderbar ist. Insbesondere können die Ventilöffnungen derart veränderbar sein, dass zumindest eine relativ große Ventilöffnung und eine relativ kleine Ventilöffnung (die größer null ist) einstellbar ist. Vorgesehen ist, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des jeweiligen Ausstoßtakts in dem oder den Brennräumen erfolgende Ventilöffnung des zugehörigen variablen Auslassventils oder der zugehörigen variablen Auslassventile im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleiner eingestellt wird. Der Heizbetrieb wird erfindungsgemäß zumindest zeitweise durchgeführt, wenn ein angeforderter Soll-Ladedruck größer als ein gleichzeitig vorliegender Ist-Ladedruck des Frischgases im Frischgasstrang ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Heizbetrieb spätestens dann wieder beendet wird, wenn der Ist-Ladedruck des Frischgases im Frischgasstrang den gleichzeitig angeforderten Soll-Ladedruck (der über der Dauer des Heizbetriebs auch variieren kann) wieder erreicht hat.
Der Soll-Ladedruck kann dabei insbesondere aus der Stellung eines Fahrpedals eines Kraftfahrzeugs, über das ein Fahrer des Kraftfahrzeugs eine variable Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug anfordern kann, oder aus dem Steuersignal einer Steuerungsvorrichtung, die basierend auf einer beispielsweise von dem Fahrer vorgegebenen Soll-Fahrgeschwindigkeit eine zur Erreichung dieser Soll-Fahrgeschwindigkeit erforderliche Antriebsleistung des Verbrennungsmotors herleitet, abgeleitet werden. Der Ist-Ladedruck kann beispielsweise an einer oder mehreren Stellen der Ladeluftstrecke, d.h. desjenigen Abschnitts des Frischgasstrangs, der zwischen dem Frischgasverdichter und dem Verbrennungsmotor gelegen ist, gemessen werden. Alternativ oder ergänzend besteht auch die Möglichkeit, den Ist-Ladedruck aus einem oder mehreren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder der Kraftstoffmengen, die dem oder den Brennräumen der Brennkraftmaschine für jeden Arbeitstakt zugeführt werden, und/oder der Antriebsdrehzahl des Frischgasverdichters, und/oder aus einem oder mehreren Betriebsparametern des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs abgeleitet werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die grundsätzlich aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannte Maßnahme zur temporären Erzeugung relativ heißen Abgases, die auf einer relativ kleinen Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile während des Ausstoßtakts in dem jeweils zugehörigen Brennraum beruht, eine relativ große Abgasenthalpie erzeugt wird, die in der Abgasturbine in eine entsprechend große Antriebsleistung für den Frischgasverdichter umsetzbar ist. Weiterhin führt diese Maßnahme zu einem Abgasstrom, der relativ stark gepulst ist und folglich stark variierende Strömungsgeschwindigkeiten mit einer vergleichsweise hohen Maximalgeschwindigkeit aufweist. Beide Effekte können in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, um nach einer erhöhten Lastanforderung an den Betrieb der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Verbrennungsmotors eine möglichst schnelle Erhöhung der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Verbrennungsmotors zu realisieren.
Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass während des Heizbetriebs aufgrund der relativ kleinen Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile infolge der erhöhten Ladungswechselarbeit, die zu der gewollten Erhöhung der Abgastemperatur führt, auch das effektive Drehmoment, das von dem Verbrennungsmotor abgegeben wird, und damit die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors negativ beeinflusst werden kann. Daher ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Heizbetrieb nur temporär bei einer erhöhten Lastanforderung (mit der daraus resultierenden Differenz zwischen dem angeforderten Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck des Frischgases im Frischgasstrang) durchgeführt und spätestens wieder beendet wird, wenn der Ist-Ladedruck den gleichzeitigen angeforderten Soll-Ladedruck erreicht hat. Vorzugsweise ist sogar vorgesehen, dass der Heizbetrieb schon wieder beendet wird, wenn sich ein Ist-Ladedruck eingestellt hat, der sich noch um einen definierten Beendungsdifferenzwert (beispielsweise 50mbar) von dem gleichzeitig angeforderten Soll-Ladedruck unterscheidet. Dabei kann es weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass der Beendungsdifferenzwert variabel in Abhängigkeit von der maximal zu einem Zeitpunkt während des Heizbetriebs vorliegenden Differenz zwischen dem angeforderten Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck gewählt wird, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der Beendungsdifferenzwert umso größer gewählt wird, je größer die maximal zu einem Zeitpunkt während des Heizbetriebs vorliegende Differenz zwischen dem angeforderten Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck war. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Heizbetrieb wieder beendet wird, wenn sich ein Gradient der Änderung des Ist-Ladedrucks eingestellt hat, der ein Erreichen des Soll-Ladedrucks nach einer definierten Höchstdauer, beispielsweise nach spätestens 0,5 s, vorzugsweise nach spätestens 0,3 s, zur Folge hat. Durch eine solche Maßnahme kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die durch die Betätigung des oder der variablen Auslassventile mit relativ kleiner Ventilöffnung realisierte Wirkung hinsichtlich des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers nur solange aufrecht gehalten wird, wie diese vorteilhafte Wirkung die gleichzeitige, diesbezüglich negative Wirkung hinsichtlich des von dem Verbrennungsmotor erzeugbaren Drehmoments, das ebenfalls aus der Betätigung des oder der variablen Auslassventile mit relativ kleiner Ventilöffnung resultiert, überwiegt.
Vor der erhöhten Lastanforderung kann die Brennkraftmaschine beziehungsweise der Verbrennungsmotor mit einer positiven Leistungsabgabe oder mit einer negativen Leistungsabgabe, d.h. in einem sogenannten Schubbetrieb, in dem der Verbrennungsmotor durch ein auf eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors wirkendes, äußeres Drehmoment angetrieben wird, betrieben worden sein. Ein solcher Schubbetrieb kann dabei insbesondere auch Folge eines Schaltvorgangs eines Übersetzungsschaltgetriebes der Brennkraftmaschine sein. Als Übersetzungsschaltgetriebe wird ein an eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors gekoppeltes Getriebe verstanden, das, insbesondere aktiv, hinsichtlich der Auswahl einer von mehreren unterschiedlichen Übersetzungen, mit denen eine Drehung der Abtriebswelle auf eine ausgangsseitig des Übersetzungsschaltgetriebes angekoppelte Welle übertragbar ist, schaltbar ist.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der Heizbetrieb immer dann eingeleitet wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem Schubbetrieb betrieben wird, weil in vielen Fällen einem solchen Schubbetrieb ein Betrieb mit erhöhter Lastanforderung, in dem ein angeforderter Soll-Ladedruck größer als ein gleichzeitig vorliegender Ist-Ladedruck ist, nachfolgt. Dies hätte den Vorteil, dass unmittelbar mit dem Beginn des Betriebs mit erhöhter Lastanforderung die positive Wirkung hinsichtlich der Leistungserzeugung durch den Verbrennungsmotor, die durch den Heizbetrieb temporär erzielbar ist, einsetzen würde. Andererseits gibt es auch Fälle, in denen nach einem Schubbetrieb kein Betrieb mit erhöhter Lastanforderung durchgeführt wird. In diesen Fällen würde ein bereits während des Schubbetriebs erfolgendes Umschalten in den Heizbetrieb (ausgehend von einem Normalbetrieb) gegebenenfalls unnötigerweise erfolgen, so dass es auch sinnvoll sein kann, das Einleiten des Heizbetriebs erst dann durchzuführen, wenn der Verbrennungsmotor bereits mit erhöhter Lastanforderung betrieben wird.
Ein verbesserungswürdiges dynamisches Betriebsverhalten kann eine aufgeladene Brennkraftmaschine grundsätzlich insbesondere dann zeigen, wenn der Lastsprung, d.h. die erhöhte Lastanforderung für den Betrieb der Brennkraftmaschine, relativ groß ist. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann es daher vorteilhaft sein, wenn der Heizbetrieb nur dann durchgeführt oder eingeleitet wird, wenn der angeforderte Soll-Ladedruck um mindestens einen definierten Einleitungsdifferenzwert (beispielsweise 100 mbar) größer als der gleichzeitig vorliegende Ist-Ladedruck des Frischgases im Frischgasstrang ist. Dadurch wird ein hinsichtlich der Wirkung weitgehend unnötiges Umschalten zwischen den Betriebsarten Heizbetrieb und Normalbetrieb vermieden.
Besonders vorteilhaft umsetzbar ist ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine, deren Verbrennungsmotor eine Mehrzahl an Brennräumen aufweist und die weiterhin derart ausbildet ist, dass diese sowohl in einem Teilbetrieb, in dem nur in einem Teil der Brennräume durch Verbrennen von Kraftstoff bewirkte thermodynamische Kreisprozesse durchgeführt werden, als auch in einem Vollbetrieb, in dem in allen Brennräumen solche thermodynamischen Kreisprozesse durchgeführt werden, betreibbar ist. Ein solcher Teilbetrieb, der üblicherweise auch als ein Betrieb mit aktivierter Zylinderabschaltung bezeichnet wird, ermöglicht bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit einer im Vergleich zur Nennleistung relativ geringen Leistungserzeugung die Realisierung eines relativ hohen Wirkungsgrads. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die während des Teilbetriebs noch aktiven Brennräume mit bezogen auf die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors relativ hohen Lasten betrieben werden, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Ein solcher Teilbetrieb kann sich jedoch auch hinsichtlich des Betriebs- und Schadstoffemissionsverhaltens negativ auswirken. Dies gilt insbesondere für einen ersten, sich an den Teilbetrieb anschließenden zeitlichen Abschnitt des Vollbetriebs des Verbrennungsmotors, weil einerseits während des Teilbetriebs aufgrund der reduzierten Anzahl aktiver Brennräume (infolge der vorzugsweise während des Teilbetriebs dauerhaft geschlossen gehaltenen Einlass- und Auslassventile der inaktiven Brennräume) nur ein entsprechend reduzierter Abgasmassenstrom durch die Abgasturbine geführt wird, was nach einem Umschalten in den Vollbetrieb, der insbesondere dann durchgeführt wird, wenn ein Lastsprung für den Betrieb des Verbrennungsmotors angefordert wurde, zu einem relativ schlechten dynamischen Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine führen kann. Gleichzeitig kühlen sich die inaktiven Brennräume und insbesondere die diese begrenzenden Wandungen des Verbrennungsmotors während des Teilbetriebs ab. Erfolgt dann ein Umschalten in den Vollbetrieb, kann dies temporär zu relativ hohen Schadstoffrohemissionen des Verbrennungsmotors infolge von an den relativ kalten Wandungen der zuvor inaktiven Brennräume kondensiertem Kraftstoff führen.
Diese Nachteile können erfindungsgemäß vermieden oder zumindest gering gehalten werden, wenn der Verbrennungsmotor für ein durch eine erhöhte Lastanforderung begründetes Umschalten von dem Teilbetrieb in den Vollbetrieb auch von dem Normalbetrieb in den Heizbetrieb umgeschaltet wird. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor zunächst in dem Teilbetrieb und in dem Normalbetrieb beziehungsweise in einem kombinierten Teil- und Normalbetrieb betrieben wird und anschließend in dem Vollbetrieb und in dem Heizbetrieb beziehungsweise in einem kombinierten Voll- und Heizbetrieb betrieben wird. Der kombinierte Voll- und Heizbetrieb kann dabei insbesondere nur temporär vorgesehen sein, so dass darauf folgend noch ein Betrieb des Verbrennungsmotors in dem Vollbetrieb und in dem Normalbetrieb beziehungsweise in einem kombinierten Voll- und Normalbetrieb vorgesehen sein kann. Das Umschalten von dem Normalbetrieb zu dem Heizbetrieb kann vorzugsweise unmittelbar mit oder, vorzugsweise möglichst kurzfristig, nach einem Umschalten von dem Teilbetrieb zu dem Vollbetrieb erfolgen. Sofern ein solches Umschalten von dem Teilbetrieb zu dem Vollbetrieb zu einem vorhersagbaren Zeitpunkt, beispielsweise aufgrund einer vorhersagbaren Änderung des u.a. durch Last und Drehzahl gekennzeichneten Betriebszustands des Verbrennungsmotors, erfolgt, kann in vorteilhafter Weise auch ein diesem Umschalten vorausgehendes Umschalten von dem Normalbetrieb zu dem Heizbetrieb erfolgen.
Bei der Durchführung eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin vorgesehen sein, dass bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in dem kombinierten Voll- und Heizbetrieb entweder jeweils mindestens ein Auslassventil aller Brennräume oder, vorzugsweise, lediglich desjenigen Brennraums oder derjenigen Brennräume, in denen in dem Teilbetrieb keine thermodynamische Kreisprozesse durchgeführt wurden, mit einer im Vergleich zu dem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnung betätigt wird/werden. Die zweite Alternative kann zu einem besonders schnellen Aufheizen der relativ kalten Wandungen der zuvor inaktiven Brennräume und somit zu einer deutlichen Reduzierung der Schadstoffrohemissionen nach Reaktivierung der Brennräume führen.
Bei dem Verbrennungsmotor einer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor handeln. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handelt. Der Verbrennungsmotor kann dabei grundsätzlich mit einem beliebigen Kraftstoff, der überwiegend aus Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen besteht, insbesondere mit einem derzeit üblichen Flüssigkraftstoff (d.h. mit Diesel-Kraftstoff oder Benzin) oder mit einem (bei Umgebungsbedingungen) gasförmigen Kraftstoff (insbesondere mit Erdgas (CNG), LNG, LPG oder Wasserstoff) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen ausbilden. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass jedem dieser Brennräume eine Mehrzahl von Auslassventilen zugeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass für sämtliche oder nur einzelne, insbesondere auch für nur ein einziges der jedem Brennraum zugeordneten Auslassventile die Ventilöffnung während des Ausstoßtakts derart veränderbar ist, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung kleiner als in dem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors eingestellt werden kann.
Eine Veränderung der Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile kann bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzugsweise durch eine Verschiebung des jeweiligen Öffnungsbeginns während des Ausstoßtakts in dem dazugehörigen Brennraum (vorzugsweise in Kombination mit einer Änderung der Öffnungsdauer, d.h. das Öffnungsende wird nicht oder in einem anderen Ausmaß als der Öffnungsbeginn verschoben) und/oder durch eine Variation des Öffnungshubs (d.h. des maximalen Öffnungswegs des jeweiligen Auslassventils) realisierbar sein.
Vorteilhafterweise kann zur Variation der Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile eine Schaltvorrichtung genutzt werden, die mindestens zwei und vorzugsweise exakt zwei diskrete Schaltstellungen aufweist, die sich hinsichtlich der durch die Ventilbetätigungsvorrichtung bewirkten Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile unterscheiden. Eine solche Schaltvorrichtung kann sich, insbesondere im Vergleich zu einer ebenfalls vorteilhaft einsetzbaren Stellvorrichtung, mittels der die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile stufenlos einstellbar ist, durch eine relativ einfache konstruktive Ausgestaltung auszeichnen. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Ventilbetätigungsvorrichtung eine zur direkten oder indirekten Betätigung des oder der Auslassventile vorgesehene Nockenwelle umfasst und die Schaltvorrichtung jeweils einen hinsichtlich des Übersetzungsverhältnisses schaltbaren Schlepphebel aufweist, der eine Auslenkung durch einen Nocken der Nockenwelle (in unterschiedlichem Ausmaß) auf ein zugeordnetes variables Auslassventil überträgt. Ergänzend oder alternativ kann die Schaltvorrichtung auch unterschiedliche Nocken der Nockenwelle umfassen, wobei jeweils unterschiedliche Nocken alternativ in Wirkverbindung mit dem oder den variablen Auslassventilen bringbar sind.
Vorzugsweise kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors das oder die variablen Auslassventile bei einer Steuerzeit, die zwischen 70°KW vor LW-OT (°KW: Kurbelwellenwinkel) und 50°KW vor LW-OT liegt, geöffnet und, weiterhin bevorzugt, bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT liegt, geschlossen wird/werden. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs der Öffnungshub des oder der variablen Auslassventile zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 10% und 20%, im Vergleich zu dem Öffnungshub im Normalbetrieb beträgt. Beispielsweise kann der Öffnungshub dann zwischen 1 mm und 2 mm betragen.
Ebenfalls bevorzugt kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors das oder die Auslassventile bei einer Steuerzeit, die zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT, insbesondere bei 200°KW vor LW-OT, liegt, geöffnet und, weiterhin bevorzugt, bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT, liegt, geschlossen wird/werden. Ebenfalls bevorzugt kann für den Normalbetrieb vorgesehen sein, dass der Öffnungshub jeweils zwischen 8 mm und 10 mm, insbesondere 9 mm, beträgt.
Die Angaben der Steuerzeiten können sich auf eine vollständige Schließstellung oder auf eine Hubschwelle von 1 mm oder 0,5 mm beziehen, ab der von einer wirksamen Öffnung der Auslassventile ausgegangen werden kann. Dabei kann insbesondere eine Hubschwelle von 1 mm bei einem Öffnungshub von mindestens 2 mm und eine Hubschwelle von 0,5 mm bei einem Öffnungshub von weniger als 2 mm angesetzt werden.
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: eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine in vereinfachter Darstellung;
2: beispielhafte Ventilerhebungskurven für die variablen Einlassventile (gestrichelte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende Linienführung) eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine während eines Heizbetriebs;
3: beispielhafte Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (gestrichelte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende Linienführung) des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine während eines Normalbetriebs; und
4: in einem Doppeldiagramm einerseits den zeitlichen Verlauf des Ist-Ladedrucks in einem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine und andererseits den zeitlichen Verlauf des von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments, jeweils bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und bei einem Betrieb einer vergleichbaren Brennkraftmaschine, die konventionell betrieben wird.

Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Diese umfasst einen Viertakt-Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylindern 2 ausgebildet ist. Die Zylinder 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt. Bei dem Frischgas handelt es sich primär um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird und die anschließend über einen Frischgasverdichter 6 geführt wird. Dieser Frischgasverdichter 6 ist Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 7 umfasst, die in einen Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung von Gemischmengen entstanden ist, die aus dem Frischgas sowie aus beispielsweise direkt über Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, wird über den Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine abgeführt.
Jedem der Brennräume 4 sind gemäß dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Einlassventile 9 und zwei Auslassventile 10 zugeordnet, die über eine Ventilbetätigungsvorrichtung 11, die beispielsweise jeweils eine Nockenwelle für einerseits die Einlassventile 9 und andererseits die Auslassventile 10 umfassen kann, betätigt werden.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 werden die Hubkolben 3 aufgrund der Verbrennungsprozesse in den Brennräumen 4 oszillierend zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegt, wobei die Hubkolben 3 abwechselnd einen Ladungswechselhubzyklus, der einen Ausstoßtakt sowie einen Ansaugtakt umfasst, und einen Arbeitshubzyklus, der einen Verdichtungstakt und einen Arbeitstakt umfasst, durchführen. Die Hubkolben 3 sind über Pleuel (nicht dargestellt) mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden, wobei die oszillierenden Bewegungen der Hubkolben 3 zu einer Rotation der Kurbelwelle führen. Die Rotation der Kurbelwelle kann dann über ein Übersetzungsschaltgetriebe 13 auf angetriebene Räder des Kraftfahrzeugs übertragen werden.
In Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel im Ladungswechselhubzyklus der einzelnen Hubkolben 3 werden die Einlassventile 9 und die Auslassventile 10 mittels der Ventilbetätigungsvorrichtung 11 zu definierten Steuerzeiten geöffnet und geschlossen, wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist. Mit LW-OT ist dabei der obere Totpunkt der einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Ladungswechselhubzyklus gekennzeichnet.
Der Verbrennungsmotor 1 der Brennkraftmaschine kann einerseits in einem Heizbetrieb betrieben werden, in dem gemäß der 2 eines oder beide der jedem der Brennräume 4 zugeordneten Auslassventile 10 mit einer deutlich kleineren Ventilöffnung betätigt werden, als dies gemäß einem Normalbetrieb vorgesehen ist. In dem Normalbetrieb erstreckt sich gemäß der 3 die für die Auslassventile 10 vorgesehene Öffnungsdauer dagegen über den gesamten Ausstoßtakt. Zudem ist in dem Normalbetrieb der Öffnungshub der Auslassventile 10 deutlich größer als dies für die variablen Auslassventile 10 in dem Heizbetrieb des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen ist. Dies dient dazu, die Ladungswechselarbeit in dem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 1 möglichst zu minimieren, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad und damit den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 1 auswirkt.
Wird während des Heizbetriebs nur eines der Auslassventile 10 je Brennraum 4 mit einer relativ kleinen Ventilöffnung betätigt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das dazugehörige zweite Auslassventil 10 vollständig geschlossen gehalten wird.
Die relativ kleine Ventilöffnung des oder der den einzelnen Brennräumen 4 zugeordneten, variablen Auslassventile 10 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass zum einen der Öffnungsbeginn im Vergleich zu dem Normalbetrieb nach spät beziehungsweise näher in Richtung des LW-OT verschoben ist und zum anderen der Öffnungshub verkleinert ist, wohingegen das Öffnungsende im Vergleich zu dem Normalbetrieb gleich ist. Infolge des relativ späten Öffnungsbeginns der Öffnungsbewegungen der variablen Auslassventile 10 erfolgt in dem Ausstoßtakt zunächst noch (bei geschlossenen Auslassventilen 10) eine relativ starke Verdichtung von in den Brennräumen 4 enthaltenem Abgas (Zwischenverdichtung), womit bereits eine Erwärmung dieses Abgases verbunden ist. Werden die Auslassventile 10 dann geöffnet, strömt dieses relativ stark verdichtete Abgas durch die nur mit relativ kleinem Öffnungshub geöffneten Auslassventile 10, woraus hohe Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, die zu einer weiteren Erwärmung des Abgases beitragen. Durch das Öffnen der variablen Auslassventile 10 mit relativ kleinen Ventilöffnungen wird folglich relativ heißes Abgas, das zudem relativ stark gepulst ist und folglich stark variierende Strömungsgeschwindigkeiten mit einer vergleichsweise hohen Maximalgeschwindigkeit aufweist, in den Abgasstrang 8 abgeführt. Dies wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um nach einem Lastsprung, d.h. nach einer deutlich erhöhten Lastanforderung im Betrieb des Verbrennungsmotors 1, die dazu führt, dass ein angeforderter Soll-Ladedruck des Frischgases in dem Frischgasstrang 5 den gleichzeitig vorliegenden Ist-Ladedruck deutlich und insbesondere um mehr als einen definierten Einleitungsdifferenzwert übersteigt, den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 von dem zuvor vorgesehenen Normalbetrieb in den Heizbetrieb umzuschalten, um mittels des dabei erzeugten, relativ heißen und zudem relativ stark gepulsten Abgasstroms das dynamische Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 1 zu verbessern, indem eine Beschleunigung eines Turbinenlaufrads der Abgasturbine 7 infolge der erhöhten Abgasenthalpie unterstützt wird.
Die 4 verdeutlicht diese Wirkung in einem Doppeldiagramm. In der oberen Diagrammhälfte dieses Doppeldiagramms ist jeweils der zeitliche Verlauf des effektiv von dem Verbrennungsmotor 1 abgegebenen Drehmoments M bei einerseits einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine (durchgehende Linienführung) und andererseits bei einer vergleichbaren, konventionell betriebenen Brennkraftmaschine (gestrichelte Linienführung) dargestellt. In der unteren Diagrammhälfte des Doppeldiagramms sind dazugehörige Verläufe des Ist-Ladedrucks p_L in dem Frischgasstrang 5 der jeweiligen Brennkraftmaschine eingezeichnet.
Gemäß der 4 wird eine erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine beispielsweise zunächst in dem Normalbetrieb mit einem im Wesentlichen konstanten Ist-Ladedruck p_L, der zu einem im Wesentlichen konstanten Drehmoment M führt, betrieben. Zu einem Zeitpunkt t₀ erfolgt ein sprunghafter Anstieg der Lastanforderung im Betrieb der Brennkraftmaschine. Dieser Lastsprung führt dazu, dass der dann angeforderte Soll-Ladedruck p_LS zunächst in einem erheblichen Maße von dem vorliegenden Ist-Ladedruck abweicht. Diese Abweichungen übersteigt dabei einen definierten Einleitungsdifferenzwert, so dass von dem Normalbetrieb zu dem Heizbetrieb umgeschaltet wird, um, wie beschrieben, durch die Erzeugung eines relativ heißen und stark gepulsten Abgasstroms eine Beschleunigung des Turbinenlaufrads der Abgasturbine 5 zu unterstützen, so dass ein gutes dynamisches Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine erreicht wird. Gleichzeitig führt der Heizbetrieb aufgrund der deutlich erhöhten Ladungswechselarbeit, die aus dem Ausbringen des Abgases aus den Brennräumen 4 über die nur mit relativ kleiner Ventilöffnung geöffneten, variablen Auslassventile 10 resultiert, zu einer Verringerung des spezifischen, d.h. bei definierten Betriebsparametern von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugten Drehmoments M. Eine daraus resultierende Verringerung des abgegebenen Drehmoments M auf einen Wert unterhalb des vor dem Umschalten vorliegenden Drehmoments M kann zwar durch insbesondere eine Erhöhung der den Brennräumen 4 zugeführten Kraftstoffmengen weitestgehend kompensiert werden. Dies führt jedoch dazu, dass das Saugbetriebsdrehmoment, das in der 4 jeweils mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist und das sich zunächst einstellt, bevor die Aufladung durch den Frischgasverdichter 6 eine relevante Auswirkung auf den Verlauf des Ladedrucks p_L und des Drehmoments M hat, geringer als bei der konventionell betriebenen Brennkraftmaschinen. Der Anstieg des Drehmoments M ab dem Lastsprung bis zu dem Saugbetriebsdrehmoment 12 erfolgt jeweils mit relativ großer Steigung und im Wesentlichen linear. Ab dem Erreichen des Saugbetriebsdrehmoments 12 zeigt sich die vorteilhafte Wirkung der relativ heißen und relativ stark gepulsten Abgasströmung hinsichtlich des dynamischen Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine, da bei der erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine der Ladedruck p_L und damit das Drehmoment M deutlich stärker ansteigt, als dies bei der konventionell betriebenen Brennkraftmaschinen der Fall ist. Der (gemäß der 4 während des Heizbetriebs unverändert aufrechtgehaltene) Soll-Ladedruck p_LS und das damit verbundene Drehmoment M werden dadurch deutlich schneller erreicht.
Spätestens mit dem Erreichen des Soll-Ladedrucks p_LS wird der Heizbetrieb des Verbrennungsmotors 1 wieder beendet beziehungsweise es wird von dem Heizbetrieb zu dem Normalbetrieb umgeschaltet.
Bezugszeichenliste

1: (Viertakt-)Verbrennungsmotor
2: Zylinder
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Frischgasverdichter
7: Abgasturbine
8: Abgasstrang
9: Einlassventil
10: Auslassventil
11: Ventilbetätigungsvorrichtung
12: Saugbetriebsdrehmoment
13: Übersetzungsschaltgetriebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004016386 B4 [0004, 0010]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), der einen oder mehrere Brennräume (4) ausbildet, mit einem einen Frischgasverdichter (6) eines Abgasturboladers integrierenden Frischgasstrang (5) zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor (1) und mit einem eine Abgasturbine (7) des Abgasturboladers integrierenden Abgasstrang (8) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1), wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem oder den Brennräumen (4) jeweils mittels mindestens eines Auslassventils (10) steuerbar ist, wobei das oder die Auslassventile (10) mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung (11) betätigbar ist/sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) die Ventilöffnung des Auslassventils (10) oder zumindest einiger der Auslassventile während des Ausstoßtakts in dem zugehörigen Brennraum (4) veränderbar ist, wobei während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors (1) die während des Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung dieses oder dieser Auslassventile (10) im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (1) kleiner eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb durchgeführt wird, wenn ein angeforderter Soll-Ladedruck (p_LS) größer als ein gleichzeitig vorliegender Ist-Ladedruck (p_L) des Frischgases im Frischgasstrang (5) ist und dass der Heizbetrieb spätestens wieder beendet wird, wenn der Ist-Ladedruck (p_L) den gleichzeitig angeforderten Soll-Ladedruck (P_LS) wieder erreicht hat.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb nur dann eingeleitet wird, wenn der angeforderte Soll-Ladedruck (p_LS) um mindestens einen definierten Einleitungsdifferenzwert größer als der gleichzeitig vorliegende Ist-Ladedruck (P_L) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb wieder beendet wird, wenn sich ein Ist-Ladedruck (p_L) eingestellt hat, der sich noch um einen definierten Beendungsdifferenzwert von dem gleichzeitig angeforderten Soll-Ladedruck (p_LS) unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beendungsdifferenzwert variabel in Abhängigkeit von der maximal zu einem Zeitpunkt während des Heizbetriebs vorliegenden Differenz zwischen dem Soll-Ladedruck (p_LS) und dem gleichzeitig vorliegenden Ist-Ladedruck (p_L) gewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beendungsdifferenzwert umso größer gewählt wird je größer die maximale Differenz zwischen dem Soll-Ladedruck (p_LS) und dem Ist-Ladedruck (p_L) war.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb wieder beendet wird, wenn sich ein Gradient der Änderung des Ist-Ladedrucks eingestellt hat, der ein Erreichen des Soll-Ladedrucks nach einer definierten Höchstdauer zur Folge hat.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) vor dem Heizbetrieb oder bei der Einleitung des Heizbetriebs mit positiver Leistungsabgabe oder im Schubbetrieb betrieben wurde/wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb mit oder nach einem Schaltvorgang eines Übersetzungsschaltgetriebes (13) der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, deren Verbrennungsmotor (1) eine Mehrzahl an Brennräumen (4) ausbildet, wobei der Verbrennungsmotor (1) sowohl in einem Teilbetrieb, in dem nur in einem Teil der Brennräume (4) thermodynamische Kreisprozesse durchgeführt werden, als auch in einem Vollbetrieb, in dem in allen Brennräumen (4) thermodynamische Kreisprozesse durchgeführt werden, betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) zunächst in dem Teilbetrieb und in dem Normalbetrieb betrieben wird und anschließend temporär in dem Vollbetrieb und in dem Heizbetrieb betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) in dem Vollbetrieb und in dem Heizbetrieb jeweils mindestens ein Auslassventil (10) aller Brennräume (4) oder lediglich desjenigen Brennraums (4) oder derjenigen Brennräume (4), in denen in dem Teilbetrieb keine thermodynamische Kreisprozesse durchgeführt wurden, mit einer im Vergleich zu dem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnung betätigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - während des Heizbetriebs das oder die Auslassventile (10) - bei einer Steuerzeit, die zwischen 70°KW vor LW-OT und 50°KW vor LW-OT liegt, geöffnet und bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT liegt, geschlossen wird/werden und/oder - mit einem Öffnungshub, der zwischen 5% und 50% des Öffnungshubs im Normalbetrieb beträgt, betätigt wird/werden und/oder - während des Normalbetriebs das oder die Auslassventile (10) - bei einer Steuerzeit, die zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT liegt, geöffnet und bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT liegt, geschlossen wird/werden und/oder - mit einem Öffnungshub zwischen 8 mm und 10 mm betätigt wird/werden.