DE102019113736A1

DE102019113736A1 - Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung und mit elektrischer Heizvorrichtung im Abgasstrang

Info

Publication number: DE102019113736A1
Application number: DE102019113736.5A
Authority: DE
Inventors: Ingo Blei; Johannes Bunkus; Stephan Kellner; Marcel Wiegel
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 eine Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor 1, der einen Brennraum 4 ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang vorgesehen, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum 4 und in den Abgasstrang 7 mittels eines dem Brennraum 4 zugeordneten Auslassventils 9 steuerbar ist, wobei das Auslassventil 9 mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung 10 betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils 9 während des Ausstoßtakts veränderbar ist. Weiterhin ist eine der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zugeordnete, elektrische Heizvorrichtung mit einem oder mehreren Heizelementen 20 vorgesehen. Durch eine Kombination der durch eine temporär relativ kleine Einstellung der Ventilöffnung des Auslassventils 9 realisierbaren Erzeugung eines relativ heißen Abgases einerseits mit einer Heizwirkung der elektrischen Heizvorrichtung andererseits kann in besonders vorteilhafter und insbesondere schneller Weise ein Aufwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere mit dem Ziel, möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu realisieren, erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum und in den Abgasstrang mittels mindestens eines Auslassventils des Brennraums steuerbar ist, wobei das Auslassventil mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors veränderbar ist.
Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannt. Dort ist ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine offenbart, bei dem nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein einem Brennraum eines Viertakt-Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeordnetes Auslassventil mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnung betätigt wird. Dadurch wird die Ladungswechselarbeit erhöht und damit Abgas über das entsprechend geöffnete Auslassventil mit einer relativ hohen Temperatur in einen Abgasstrang abgeführt, wodurch dieses ein möglichst schnelles Erwärmen einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung bewirken soll.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine anzugeben, die sich insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine durch möglichst geringe Schadstoffemissionen auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum und in den Abgasstrang mittels mindestens eines dem Brennraum zugeordneten Auslassventils steuerbar ist, wobei das Auslassventil mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils während des Ausstoßtakts 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. Erfindungsgemäß ist weiterhin eine der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zugeordnete, elektrische Heizvorrichtung (d.h. eine Heizvorrichtung, die elektrische Energie in Wärmeenergie wandeln kann) vorgesehen beziehungsweise in den Abgasstrang integriert. Als Zuordnung der Heizvorrichtung zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird dabei verstanden, dass eine von der Heizvorrichtung bereitgestellte Wärmeleistung gezielt und steuerbar zur Erwärmung zumindest einer Komponente der Abgasnachbehandlungsvorrichtung genutzt werden kann, wozu die Wärmeenergie direkt oder indirekt auf die Komponente der Abgasnachbehandlungsvorrichtung übertragbar ist, Bei einer indirekten Übertragung kann die Wärmeenergie insbesondere zunächst auf ein Fluid, insbesondere auf Abgas der Brennkraftmaschine, übertragen werden, das anschließend die Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung um- und/oder durchströmt und dabei die Wärmeenergie auf die Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung überträgt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sieht vor, dass temporär während eines Heizbetriebs der Brennkraftmaschine zur Erzielung einer relativ hohen Temperatur des aus dem Brennraum ausgebrachten Abgases die während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils im Vergleich zu einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kleiner eingestellt wird. Zur automatisierten Durchführung eines solchen Verfahrens kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine entsprechend eingerichtete Steuerungsvorrichtung aufweisen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch die Kombination der grundsätzlich aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannten Maßnahme zur temporären Erzeugung eines relativ heißen Abgases einerseits mit der Heizwirkung einer elektrischen Heizvorrichtung andererseits in besonders vorteilhafter und insbesondere schneller Weise ein Aufwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere mit dem Ziel, möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu realisieren, bewirkt werden kann.
Als „Kaltstart“ der Brennkraftmaschine wird dabei eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine verstanden, bei der die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Temperatur aufweist, die unterhalb einer Grenztemperatur von 120°C liegt und die insbesondere im Wesentlichen (d.h. ±5°C) der Umgebungstemperatur entsprechen kann. In diesem Fall liegt auch die Temperatur der SCR-Katalysatoren deutlich unter ihrer jeweiligen Anspring- beziehungsweise Light-Off-Temperatur, ab der von einer ausreichend hohen Wirksamkeit mit Reduktionsraten von beispielsweise mindestens 90% auszugehen ist.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise einen NO_x-Speicherkatalysator und/oder einen Oxidationskatalysator einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator umfassen, um eine möglichst vorteilhafte Nachbehandlung des Abgases beziehungsweise um eine möglichst umfassende Reduzierung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe realisieren zu können. Weiterhin bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass der Partikelfilter eine katalytische Beschichtung aufweist, die derart ausgewählt ist, dass diese und damit der Partikelfilter auch als SCR-Katalysator wirksam ist. Ein solcher katalytisch beschichteter Partikelfilter kann dabei als einziger SCR-Katalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise kann jedoch vorgesehen sein, dass ein solcher katalytisch beschichteter Partikelfilter zusätzlich zu einem weiteren SCR-Katalysator vorgesehen ist, wobei dann der katalytisch beschichtete Partikelfilter vorzugsweise stromauf des weiteren SCR-Katalysators (bezüglich der Strömungsrichtung des von dem Verbrennungsmotor kommenden Abgases) in den Abgasstrang integriert angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Anordnung der Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann dadurch realisiert sein, dass in Strömungsrichtung des Abgases der NO_x-Speicherkatalysator und/oder der Oxidationskatalysator, daran anschließend der (ggf. katalytisch wirksame) Partikelfilter und wiederum daran anschließend der (ggf. weitere) SCR-Katalysator in dem Abgasstrang angeordnet sind.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass mindestens ein oder exakt ein (elektrisches) Heizelement der Heizvorrichtung stromauf des (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilters und/oder mindestens ein oder exakt ein (elektrisches) Heizelement der Heizvorrichtung zwischen dem (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilter und dem (ggf. weiteren) SCR-Katalysator angeordnet ist. Das stromauf des (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilters angeordnete Heizelement kann dabei insbesondere zwischen dem NO_x-Speicherkatalysator und/oder dem Oxidationskatalysator einerseits und dem (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilter andererseits oder stromauf des NO_X-Speicherkatalysators und/oder des Oxidationskatalysators angeordnet sein oder in den NO_x-Speicherkatalysator oder in den Oxidationskatalysator integriert sein.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann weiterhin bevorzugt eine Abgasrückführleitung zur Realisierung einer (Niederdruck-)Abgasrückführung aufweisen, die insbesondere zwischen dem (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilter und dem (ggf. weiteren) SCR-Katalysator aus dem Abgasstrang abgeht und in einen Frischgasstrang, der dafür vorgesehen ist, Frischgas zu dem Verbrennungsmotor zu führen, mündet. Dabei kann die Abgasrückführleitung insbesondere stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des in dem Frischgasstrang in Richtung des Verbrennungsmotors strömenden Frischgases) eines in den Frischgasstrang integrierten Verdichters in den Frischgasstrang münden. Wenn eine solche Abgasrückführleitung vorgesehen ist, kann das zwischen dem (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilter und dem (ggf. weiteren) SCR-Katalysator angeordnete Heizelement entweder stromauf oder stromab der Abzweigung der Abgasrückführleitung angeordnet sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform kann die Heizvorrichtung ausschließlich zwischen dem Partikelfilter und dem SCR-Katalysator angeordnet sein, wodurch insbesondere eine möglichst einfache konstruktive Ausgestaltung der Brennkraftmaschine realisiert werden kann. Für ein möglichst schnelles Erwärmen des SCR-Katalysators kann dann die Heizwirkung der Heizvorrichtung genutzt werden, während für ein möglichst schnelles Erwärmen der dazu stromauf gelegenen Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung die erhöhte Heizwirkung des relativ heißen Abgases infolge der verkleinerten Ventilöffnung des Auslassventils genutzt wird.
Ein besonderer Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Kombination der durch eine temporär relativ kleine Einstellung der Ventilöffnung des Auslassventils realisierbaren Erzeugung eines relativ heißen Abgases einerseits mit der Heizwirkung einer elektrischen Heizvorrichtung andererseits erreichbar ist, liegt darin, dass auch mit einer relativ leistungsschwachen Heizvorrichtung eine ausreichende Heizwirkung für die Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, realisierbar ist. Die Heizvorrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann daher vorzugsweise eine maximale Heizleistung von höchstens 1,8 kW oder sogar von höchstens 1 kW aufweisen. Eine solche relativ kleine Heizvorrichtung zeichnet sich durch eine relativ kleine und kostengünstige Ausgestaltung aus. Weiterhin kann eine solche Heizvorrichtung in besonders vorteilhafter Weise einen Betrieb in Verbindung mit einer elektrischen Spannungsquelle, die eine Betriebsspannung von 12 V bereitstellt, ermöglichen. Insbesondere kann dadurch ermöglicht werden, die Heizvorrichtung an ein elektrisches Bordnetz der Brennkraftmaschine oder eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs anzuschließen, dass, wie derzeit üblich, auf einer solchen Betriebsspannung von 12 V basiert.
Zumindest dann, wenn eine solche relativ leistungsschwache Heizvorrichtung zum Einsatz kommt, sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass das/die Heizelement(e) der Heizvorrichtung unmittelbar stromauf des (ggf. katalytisch wirksamen) Partikelfilters und/oder unmittelbar stromauf des (ggf. weiteren) SCR-Katalysators angeordnet ist/sind. Als Anordnung unmittelbar stromauf des Partikelfilters oder des SCR-Katalysators wird dabei verstanden, dass zwischen dem Heizelement einerseits und dem Partikelfilter oder dem SCR-Katalysator andererseits, gegebenenfalls mit Ausnahme einer Dosiervorrichtung für ein Reduktionsmittel und einer dazugehörigen Mischvorrichtung, ein ausschließlich abgasleitender Abschnitt des Abgasstrangs angeordnet ist. Somit soll zwischen dem Heizelement einerseits und dem Partikelfilter oder dem SCR-Katalysator andererseits insbesondere keine andere Abgasnachbehandlungsvorrichtung der Abgasnachbehandlungseinrichtung und auch keine Abzweigung für das Abgas angeordnet sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die von der relativ leistungsschwachen Heizvorrichtung freigesetzte Wärmeenergie möglichst vollständig dem Partikelfilter und/oder dem SCR-Katalysator zugeführt wird.
Gegebenenfalls kann es auch sinnvoll sein, eine Heizvorrichtung einzusetzen, deren maximale Heizleistung größer als 1,8 kW ist. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn für deren Betrieb eine elektrische Spannungsquelle zur Verfügung steht, die eine höhere Betriebsspannung als 12 V, beispielsweise 48 V, bereitstellt.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen 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 sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. mit DieselKraftstoff oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere mit Erdgas (CNG), LNG oder LPG) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen ausbilden. Ebenso kann bevorzugt 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 veränderbar ist.
Eine Veränderung der Ventilöffnung des Auslassventils kann bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzugsweise durch eine Verschiebung des Öffnungsbeginns während des Ausstoßtakts (vorzugsweise in Kombination mit einer Veränderung 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 Auslassventils) realisierbar sein.
Vorteilhafterweise kann zur Variation der Ventilöffnung des Auslassventils eine Schaltvorrichtung genutzt werden, die demnach mindestens zwei und vorzugsweise exakt zwei diskrete Schaltstellungen aufweist, die sich hinsichtlich der durch die Schaltvorrichtung bewirkten Ventilöffnung des Auslassventils unterscheiden. Eine solche Schaltvorrichtung kann sich, insbesondere im Vergleich zu einer ebenfalls einsetzbaren Stellvorrichtung, mittels der die Ventilöffnung des Auslassventils stufenlos einstellbar ist, durch eine relativ einfache konstruktive Ausgestaltung auszeichnen. Besonders bevorzugt kann eine solche Schaltvorrichtung auf der Verwendung unterschiedlicher Nocken einer zur Betätigung des Auslassventils vorgesehenen Nockenwelle der Ventilbetätigungsvorrichtung basieren, wobei die Nocken alternativ mittels eines Aktuators der Schaltvorrichtung in Wirkverbindung mit dem Auslassventil bringbar sind.
Zur Variation der Ventilöffnung des Auslassventils kann aber auch in vorteilhafter Weise eine Stellvorrichtung genutzt werden, mittels der die Ventilöffnung des Auslassventils stufenlos einstellbar ist.
Vorzugsweise kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs der Brennkraftmaschine das Auslassventil (oder alle Auslassventile je Brennraum) mit einer Öffnungsdauer von zwischen 70°KW (°KW: Kurbelwellenwinkel) und 40°KW, besonders bevorzugt von zwischen 60°KW und 50°KW, geöffnet werden, wobei das Auslassventil (oder alle Auslassventile je Brennraum) weiterhin bevorzugt zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT, geschlossen wird. Ebenfalls kann dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Öffnungshub zwischen 1 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 1,5 mm und 1,7 mm beträgt. Sind mehrere und insbesondere zwei Auslassventile je Brennraum vorgesehen, von denen nur eines im Heizbetrieb geöffnet wird, kann für dieses vorzugsweise eine Öffnungsdauer von zwischen 100°KW und 60°KW, besonders bevorzugt von zwischen 80°KW und 70°KW, vorgesehen sein, wobei das Auslassventil weiterhin bevorzugt zwischen 20°KW und 10°KW vor LW-OT geschlossen wird. Ebenfalls kann dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Öffnungshub zwischen 1,5 mm und 2,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 1,7 mm und 2,0 mm, beträgt. Die Ventilbetätigungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann hierzu in eine entsprechende Betätigungsstellung bringbar sein.
Weiterhin bevorzugt kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine das Auslassventil zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT, insbesondere bei 200°KW vor LW-OT, geöffnet und, weiterhin bevorzugt, zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT, geschlossen wird. Weiterhin bevorzugt kann für den Normalbetrieb noch vorgesehen sein, dass der Öffnungshub zwischen 8 mm und 10 mm, insbesondere 9 mm, beträgt.
Diese Angaben der Steuerzeiten können sich auf eine vollständig geschlossene Stellung der Auslassventile 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 Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine beziehungsweise der Verbrennungsmotor davon insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der 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 von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
2: in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
3: Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (gestrichelte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende Linienführung) eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine gemäß der 1 oder 2 während eines Heizbetriebs; und
4: Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (gestrichelte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende Linienführung) eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine gemäß der 1 oder 2 während eines Normalbetriebs.

Die 1 und 2 zeigen jeweils in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. 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 diesem Frischgas handelt es sich primär um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird und die anschließend über einen Verdichter (nicht dargestellt) geführt wird. Dieser Verdichter ist Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 6 umfasst, die in einen Abgasstrang 7 der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas und beispielsweise direkt über Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, entstanden ist, wird über den Abgasstrang 7 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbine 6 und anschließend eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine.
Jedem der Brennräume 4 sind gemäß dem in den 1 und 2 dargestellten Ausgestaltungsbeispielen zwei Einlassventile 8 und zwei Auslassventile 9 zugeordnet, die über eine Ventilbetätigungsvorrichtung 10, die beispielsweise jeweils eine Nockenwelle für einerseits die Einlassventile 8 und andererseits die Auslassventile 9 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 Ladungswechselhub, der einen Ausstoßtakt sowie einen Ansaugtakt umfasst, und einen Arbeitshub, 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. In Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel im Ladungswechselhub der einzelnen Hubkolben 3 werden die Einlassventile 8 und die Auslassventile 9 mittels der Ventilbetätigungsvorrichtung 10 zu definierten Ventilsteuerzeiten geöffnet und geschlossen, wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist. Mit LW-OT ist dabei der obere Totpunkt der einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Ladungswechselhubs gekennzeichnet.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst in Strömungsrichtung des Abgases gesehen eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11, bei der es sich um einen Oxidationskatalysator oder um einen NO_x-Speicherkatalysator oder um eine Kombination aus einem solchen Oxidationskatalysator und einem solchen NO_x-Speicherkatalysator handeln kann.
Dieser ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 schließt sich eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Form eines Partikelfilters 12 an. Dabei ist vorgesehen, dass der Partikelfilter 12 beziehungsweise der diesen ausbildende Filterkörper eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist, wodurch der Partikelfilter 12 gleichzeitig einen ersten SCR-Katalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung darstellt. Die für die katalytische Reduktion von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Stickoxiden, erforderliche Anwesenheit von Reduktionsmittel in dem Abgas, das den als erster SCR-Katalysator wirksamen Partikelfilter 12 durchströmt, wird mittels einer stromauf des Partikelfilters 12 angeordneten, ersten Dosiervorrichtung 13 für ein solches Reduktionsmittel realisiert. Bei dem Reduktionsmittel kann es sich insbesondere um Ammoniak oder um eine ammoniakhaltige Lösung handeln. Zwischen der ersten Dosiervorrichtung 13 und dem Partikelfilter 12 ist eine erste Mischvorrichtung 14 angeordnet, die beispielsweise in Form von Strömungsleitelementen, die Verwirbelungen in der Strömung des bereits mit dem Reduktionsmittel vermischten Abgases bewirken, ausgebildet sein kann.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst, in einer Anordnung stromab des Partikelfilters 12, als dritte Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen (weiteren) SCR-Katalysator 15. Dem SCR Katalysator 15 ist in einer Anordnung stromauf davon eine zweite Dosiervorrichtung 16 für ein Reduktionsmittel sowie, in einer Anordnung zwischen dieser zweiten Dosiervorrichtung 16 und dem SCR-Katalysator 15, eine zweite Mischvorrichtung 17 zugeordnet. Diese zweite Dosiervorrichtung 16 kann insbesondere dann sinnvoll oder notwendig sein, wenn, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist, zwischen dem Partikelfilter 12 und dieser zweiten Dosiervorrichtung 16 eine Abgasrückführleitung 18 aus dem Abgasstrang 7 abgeht, über die bedarfsweise ein Teil des Abgases in den Frischgasstrang 5 zurückgeführt werden kann. Sofern eine solche Abgasrückführung durchgeführt wird, sollte vermieden werden, dass in dem dabei zurückgeführten Abgas noch nicht umgesetztes Reduktionsmittel enthalten ist. Eine Dosierung mittels der ersten Dosiervorrichtung 13 sollte daher zumindest dann, wenn eine Abgasrückführung durchgeführt wird, derart erfolgen, dass stromab des Partikelfilters 12 möglichst kein Reduktionsmittel mehr in dem Abgas enthalten ist. Dies erfordert folglich ein zusätzliches Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas vor dem SCR-Katalysator 15, um durch diesen eine Reduktion der Schadstoffe realisieren zu können.
Als in Strömungsrichtung letzte Komponente beziehungsweise als vierte Abgasnachbehandlungsvorrichtung der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist ein Sperrkatalysator 19 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um einen Oxidationskatalysator, der Reduktionsmittel umsetzt (insbesondere Ammoniak zu N₂ und H₂O), das in dem SCR-Katalysator 16 nicht umgesetzt wurde, um ein Freisetzen dieses Reduktionsmittel in die Umgebung zu vermeiden.
Um nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein möglichst schnelles Erreichen der jeweiligen Anspringtemperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen der Abgasnachbehandlungseinrichtung und insbesondere des auch als erster SCR-Katalysator wirkenden Partikelfilters 12 und des (weiteren) SCR-Katalysators 15 und damit eine möglichst schnelle Umsetzung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe zu realisieren, ist einerseits vorgesehen, die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart in einem Heizbetrieb zu betreiben, indem gemäß der 3 zumindest eines, vorzugsweise beide der jedem der Brennräume 4 zugeordneten Auslassventile 9 mit einer deutlich kleineren Ventilöffnung betätigt werden, als dies gemäß einem Normalbetrieb vorgesehen ist (vgl. 4). Wird während des Heizbetriebs nur eines der Auslassventile 9 je Brennraum 4 mit einer relativ kleinen Ventilöffnung betätigt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das dazugehörige zweite Auslassventil 9 vollständig geschlossen gehalten wird.
Die relativ kleine Ventilöffnung des oder der den einzelnen Brennräumen 4 zugeordneten Auslassventile 9 wird gemäß dem Ausgestaltungsbeispiel 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. Der verkleinerte Öffnungshub kann dabei auch eine Folge der dabei erzielten kürzeren Öffnungsdauer sein, da ein gleichgebliebener Öffnungshub bei verkürzter Öffnungsdauer zu unzulässig hohen Beschleunigungen der Auslassventile 9 führen könnte. Infolge des relativ späten Öffnungsbeginns der Öffnungsbewegungen der Auslassventile 9 erfolgt in dem Ausstoßtakt zunächst noch (bei geschlossenen Auslassventilen 9) eine relativ starke Verdichtung der in den Brennräumen 4 enthaltenen Abgase, womit bereits eine Erwärmung dieser Abgase verbunden ist. Werden die Auslassventile 9 dann geöffnet, strömt dieses relativ stark verdichtete Abgas durch die nur mit relativ kleinem Öffnungshub geöffneten Auslassventile 9, woraus hohe Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, die zu einer weiteren Erwärmung des Abgases beitragen. Durch das Öffnen der Auslassventile 9 mit relativ kleinen Ventilöffnungen wird folglich relativ heißes Abgas in den Abgasstrang 7 abgeführt und damit ein möglichst schnelles Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung realisiert.
Unterstützt wird ein solches Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung durch eine elektrische Heizvorrichtung, die mindestens ein elektrisches Heizelement 20, gegebenenfalls eine Vielzahl und insbesondere zwei solcher Heizelemente 20 umfassen kann.
Die 1 verdeutlicht die bevorzugte Anordnung dieses Heizelements 20 oder dieser Heizelemente 20 bei einer relativ leistungsschwachen Auslegung der Heizvorrichtung mit einer maximalen (Gesamt-)Heizleistung von höchstens 1,8 kW und beispielsweise von 1 kW. Hierbei ist vorgesehen, das/die Heizelement(e) 20 unmittelbar stromauf des Partikelfilters 12 und/oder unmittelbar stromauf des SCR-Katalysators 15 angeordnet sind. Das stromauf des Partikelfilters 12 angeordnete Heizelemente 20 (sofern vorgesehen) ist dann stromab der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 (Oxidationskatalysator und/oder NO_X-Speicherkatalysator) angeordnet. Das zwischen dem Partikelfilter 12 und dem SCR-Katalysator 15 angeordnete Heizelemente 20 (sofern vorgesehen) ist dann stromab der Abzweigung der Abgasrückführleitung 18 angeordnet.
Die 2 zeigt dagegen die bevorzugte Anordnung des Heizelements 20 oder der Heizelemente 20 bei einer relativ leistungsstarken Auslegung der Heizvorrichtung mit einer maximalen Heizleistung von mehr als1,8 kW. In diesem Fall kann/können das/die Heizelement(e) 20 an der- oder denselben Stellen angeordnet sein, wie dies gemäß der 1 vorgesehen ist. Alternativ kann das stromauf des Partikelfilters 12 angeordnete Heizelemente 20 (sofern vorgesehen) jedoch auch stromauf der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 (Oxidationskatalysator und/oder NO_x-Speicherkatalysator) angeordnet oder in die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 integriert sein. Das zwischen dem Partikelfilter 12 und dem SCR-Katalysator 15 angeordnete Heizelement 20 (sofern vorgesehen) kann dagegen auch stromauf der Abzweigung der Abgasrückführleitung 18 angeordnet sein. Grundsätzlich kann es möglich sein, dass an mehr als zwei und insbesondere auch an jeder der in der 2 dargestellten Stellen ein Heizelement 20 der Heizvorrichtung vorgesehen ist.
Sobald eine ausreichende Erwärmung zumindest eines, mehrerer oder sämtlicher der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen der Abgasnachbehandlungseinrichtung erreicht wurde, wird von dem Heizbetrieb zu dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine umgeschaltet, in dem sich gemäß der 4 die für die Auslassventile 9 vorgesehene Öffnungsdauer über den gesamten Ausstoßtakt erstreckt und zudem der Öffnungshub der Auslassventile 9 deutlich größer als in dem Heizbetrieb der Brennkraftmaschine ist. Dies dient dazu, die Ladungswechselarbeit im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine möglichst zu minimieren, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad und damit den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 1 auswirkt.
Ein Umschalten zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kann vorzugsweise mittels einer schaltbaren Nockenwelle erfolgen, die für jedes der Auslassventile 9 zwei unterschiedliche Nocken bereitstellt, wobei mittels einer Schaltvorrichtung alternativ jeweils einer dieser Nocken mit dem dazugehörigen Auslassventil 9 in Wirkverbindung gebracht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: (Viertakt-)Verbrennungsmotor
2: Zylinder
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Abgasturbine
7: Abgasstrang
8: Einlassventil
9: Auslassventil
10: Ventilbetätigungsvorrichtung
11: erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung / Oxidationskatalysator / NO_X-Speicherkatalysator
12: zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung / Partikelfilter / erster SCR-Katalysator
13: erste Dosiervorrichtung
14: erste Mischvorrichtung
15: dritte Abgasnachbehandlungsvorrichtung / (weiterer) SCR-Katalysator
16: zweite Dosiervorrichtung
17: zweite Mischvorrichtung
18: Abgasrückführleitung
19: vierte Abgasnachbehandlungsvorrichtung / Sperrkatalysator
20: elektrisches Heizelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004016386 B4 [0002, 0007]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen Brennraum (4) ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang (7) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1), wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (4) und in den Abgasstrang (7) mittels mindestens eines dem Brennraum (4) zugeordneten Auslassventils (9) steuerbar ist, wobei das Auslassventil (9) mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung (10) betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) die Ventilöffnung des Auslassventils (9) während des Ausstoßtakts veränderbar ist, gekennzeichnet durch eine der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeordnete, elektrische Heizvorrichtung.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen NO_x-Speicherkatalysator (11) und/oder einen Oxidationskatalysator (11) und/oder einen Partikelfilter (12) und/oder einen SCR-Katalysator (15) umfasst.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (12) durch eine katalytische Beschichtung als SCR-Katalysator wirksam ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases der NO_x-Speicherkatalysator (11) und/oder der Oxidationskatalysator (11), anschließend der Partikelfilter (12) und daran anschließend der SCR-Katalysator (15) in dem Abgasstrang angeordnet sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (20) der Heizvorrichtung stromauf des Partikelfilters (12) und/oder zwischen dem Partikelfilter (12) und dem SCR-Katalysator (15) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das stromauf des Partikelfilters (12) angeordnete Heizelement (20) -zwischen dem NO_x-Speicherkatalysator (11) und/oder dem Oxidationskatalysator (11) einerseits und dem Partikelfilter (12) andererseits oder -stromauf des NO_X-Speicherkatalysators (11) und/oder des Oxidationskatalysators (11) angeordnet ist oder -in den NO_x-Speicherkatalysator (11) oder den Oxidationskatalysator (11) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Partikelfilter (12) und dem SCR-Katalysator (15) angeordnete Heizelement (20) stromauf oder stromab einer Abzweigung einer Abgasrückführleitung (18) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine maximale Heizleistung von höchstens 1,8 kW aufweist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung an eine elektrische Spannungsquelle mit einer Betriebsspannung von 12 V angeschlossen ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5 oder einem der von Anspruch 5 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Heizelement(e) (20) der Heizvorrichtung unmittelbar stromauf des Partikelfilters (12) und/oder unmittelbar stromauf des SCR-Katalysators (15) angeordnet ist/sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass temporär während eines Heizbetriebs der Brennkraftmaschine zur Erzielung einer relativ hohen Temperatur des aus dem Brennraum (4) ausgebrachten Abgases die während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors (1) erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils (9) im Vergleich zu einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kleiner eingestellt wird.