DE102019113737A1 - Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilöffnung und Auslass-Phasensteller - Google Patents

Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilöffnung und Auslass-Phasensteller Download PDF

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Christian Klüting
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Abstract

Eine Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum mittels mindestens eines 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 in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist. Weiterhin umfasst die Ventilbetätigungsvorrichtung einen Auslass-Phasensteller, mittels dessen der Öffnungszeitraum des Auslassventils veränderbar ist. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sieht vor, dass während eines Heizbetriebs die während des in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleiner eingestellt wird, um relativ heißes Abgas zu erzeugen, das zum Aufheizen einer in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung genutzt werden kann. Zumindest zeitweise während des Heizbetriebs wird mittels des Auslass-Phasenstellers der Öffnungszeitraum des Auslassventils verstellt, wodurch die Temperatur des Abgases gezielt eingestellt und/oder eine iAGR bewirkt sowie der Betriebsbereich, in dem der Heizbetrieb umsetzbar ist, relativ groß ausgelegt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum mittels mindestens eines Auslassventils steuerbar ist, wobei das Auslassventil mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils während des in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist.
  • Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannt. Dort ist konkret ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine offenbart, bei dem nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die den mehreren Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeordneten Auslassventile mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnung betätigt werden. Dadurch wird die Ladungswechselarbeit im Betrieb des Verbrennungsmotors erhöht und damit Abgas über die entsprechend geöffneten Auslassventile mit einer relativ hohen Temperatur in einen Abgasstrang abgeführt, wodurch das Abgas ein möglichst schnelles Erwärmen einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung bewirken soll.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine, wie sie aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannt ist, vorteilhaft weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 3. 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 eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen. Diese umfasst zumindest einen (Viertakt-)Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet. Die Brennkraftmaschine kann weiterhin einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor umfassen, wobei in den Abgasstrang vorzugsweise eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert ist. Ein Einbringen von Frischgas in den Brennraum ist vorzugsweise mittels mindestens eines Einlassventils steuerbar und ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum ist mittels mindestens eines Auslassventils steuerbar, wobei das Auslassventil mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist, 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 während des (jedes) in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist. Insbesondere sind die Ventilöffnungen derart veränderbar, dass zumindest eine relativ große Ventilöffnung und eine relativ kleine Ventilöffnung (die größer null ist) einstellbar ist. Weiterhin umfasst die Ventilbetätigungsvorrichtung einen Auslass-Phasensteller, mittels dessen der Öffnungszeitraum des Auslassventils (d.h. der Zeitraum, in dem die Ventilöffnung in Relation zu beispielsweise einer definierten Hubposition eines den Brennraum begrenzenden Kolbens durchgeführt wird) veränderbar ist (z.B. um einen Betrag zwischen 50°KW und 70°KW, insbesondere 60°KW (°KW: Kurbelwellenwinkel)). Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Veränderung des Öffnungszeitraums ohne Einfluss auf die (Größe der) Ventilöffnung ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sieht vor, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des (jedes) in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleiner eingestellt wird.
  • Ein Verändern der Ventilöffnung des Auslassventils kann dabei vorzugsweise durch eine Variation der Öffnungsdauer während des Ausstoßtakts und/oder durch eine Variation des Öffnungshubs (d.h. des maximalen Öffnungswegs) des jeweiligen Auslassventils realisiert werden.
  • Das Einstellen einer relativ kleinen Ventilöffnung des Auslassventils während des Heizbetriebs dient der Erzeugung relativ heißen Abgases. Eine vorzugsweise mit einer solchen Verkleinerung der Ventilöffnung verbundene Verkürzung der Öffnungsdauer kann zu einem relativ späten Öffnungsbeginn der Öffnungsbewegung des Auslassventils führen, so dass in dem Ausstoßtakt zunächst noch (bei geschlossenem Auslassventil) eine relativ starke Verdichtung des in dem Brennraum enthaltenen Abgases stattfindet (nachfolgend auch als Zwischenkompression bezeichnet), womit bereits eine Erwärmung dieses Abgases verbunden ist. Wird das Auslassventil anschließend geöffnet, strömt dieses relativ stark verdichtete Abgas durch das nur mit relativ kleinem Öffnungshub geöffnete Auslassventil, woraus hohe Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, die zu einer weiteren Erwärmung des Abgases beitragen. Auch trägt die Anhebung der inneren Motorlast, die zur Überwindung der höheren Ausschiebeverluste erforderlich ist, zur Erhöhung der Abgastemperatur bei.
  • Die Erzeugung relativ heißen Abgases während des Heizbetriebs kann insbesondere dazu dienen, möglichst schnell ein Aufheizen einer in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung zu bewirken oder ein ungewolltes Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu vermeiden. Ein Aufheizen kann insbesondere mit dem Ziel erfolgen, möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu realisieren. Als „Kaltstart“ einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird dabei eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine verstanden, bei der die Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente davon eine Temperatur aufweist, die unterhalb einer Grenztemperatur von 120°C liegt und die insbesondere im Wesentlichen (d.h. ±5°C) der Umgebungstemperatur entsprechen kann.
  • Weiterhin ist bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zumindest zeitweise während des Heizbetriebs mittels des Auslass-Phasenstellers der Öffnungszeitraum des Auslassventils verstellt wird. Dadurch können mehrere Vorteile generiert werden.
  • Zum einen kann durch ein Verändern des Öffnungszeitraums des Auslassventils das Ausmaß der Zwischenkompression beeinflusst werden. Dies ermöglicht u.a. die Temperatur des während des Heizbetriebs erzeugten Abgases unabhängig von einer Änderung des Betriebspunkts, in dem der Verbrennungsmotor betrieben wird, gezielt einzustellen und dabei vorzugsweise sogar zu regeln.
  • Bei einem Regeln der Abgastemperatur erfolgt eine Rückkopplung einer Ist-Temperatur des Abgases auf eine definierte Soll-Temperatur. Aus dieser Rückkoppelung wird dann eine weitergehende Beeinflussung der Temperatur des Abgases mit dem Ziel, die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur möglichst anzupassen, abgeleitet. Demnach kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Abgases an zumindest einer Stelle als zu beeinflussende (Regel-)Größe ermittelt und insbesondere gemessen oder modellbasiert berechnet wird und mit einer vorgesehenen Soll-Temperatur (Führungsgröße) verglichen wird, um eine gegebenenfalls vorliegende Regelabweichung zu ermitteln. Mittels einer Regelvorrichtung der Brennkraftmaschine kann dann aus der Regelabweichung eine Stellgröße ermittelt werden, basierend auf der die weitergehende Beeinflussung der Temperatur des Abgases, die erfindungsgemäß durch ein Verändern des Öffnungszeitraums des Auslassventils möglich ist, erfolgt beziehungsweise eingestellt wird.
  • Weiterhin kann durch eine Beeinflussung des Ausmaßes der Zwischenkompression auch der maximal in dem Brennraum auftretende Druck beeinflusst und insbesondere begrenzt werden. In Abhängigkeit von der Größe der für das Auslassventil während des Heizbetriebs vorgesehenen Ventilöffnung sowie in Abhängigkeit von dem (durch eine konkrete Betriebslast in Kombination mit einer konkreten Betriebsdrehzahl definierten) Betriebspunkt, in dem der Verbrennungsmotor während des Heizbetriebs betrieben wird, kann der Brennraumdruck sehr hohe Werte erreichen, die einen maximal zulässigen Brennraumdruck, der beispielsweise so gewählt ist, dass eine Beschädigung des während des Ausstoßtakts öffnenden Auslassventils vermieden wird, grundsätzlich überschreiten können. Um ein solches Überschreiten eines maximal zulässigen Brennraumdrucks zu vermeiden, kann es erforderlich sein, den Betriebsbereich, innerhalb dessen der Verbrennungsmotor in der Heizbetriebsart betrieben werden kann, auf relativ kleine Kombinationen aus Betriebsdrehzahl und Betriebslast zu beschränken. Durch eine Beeinflussung des Ausmaßes der Zwischenkompression durch ein Verändern des Öffnungszeitraums des Auslassventils kann demnach ein relativ großer Betriebsbereich, innerhalb dessen der Verbrennungsmotor in der Heizbetriebsart betrieben werden kann, realisiert werden. Vor diesem Hintergrund kann es vorteilhaft möglich sein, dass während des Heizbetriebs der Öffnungszeitraum des Auslassventils in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck verändert wird und dass dabei insbesondere durch ein Verändern des Öffnungszeitraums nach früh ein Überschreiten eines während des Ausstoßtakts maximal zulässigen Brennraumdrucks (der z.B. zwischen 10 bar und 20 bar liegen kann) verhindert wird.
  • Weiterhin kann durch ein Verändern des Öffnungszeitraums des Auslassventils bedarfsweise während des Heizbetriebs eine interne Abgasrückführung (iAGR) durch Rückhalten von Abgas in dem Brennraum realisiert und zudem gezielt eingestellt werden, indem das Auslassventil in variabler zeitlicher Distanz vor dem Ende des Ausstoßtakts geschlossen wird. Eine iAGR kann dazu eingesetzt werden, insbesondere die Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors gering zu halten, indem durch eine solche Abgasrückführung die bei der Verbrennung von Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in dem Brennraum auftretenden Spitzentemperaturen relativ niedrig gehalten werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann ein Einlass-Phasensteller vorgesehen sein, mittels dessen der Öffnungszeitraum des Einlassventils veränderbar ist (z.B. um einen Betrag zwischen 50°KW und 70°KW, insbesondere 60°KW). Bei der Nutzung einer solchen Brennkraftmaschine im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs bei einer Veränderung des Öffnungszeitraums des Auslassventils nach früh der Öffnungszeitraum des Einlassventils nach spät verändert wird. Dies kann insbesondere im Wesentlichen symmetrisch bezüglich des LW-OT erfolgen (negative Ventilüberlappung) und kann zum einen dazu dienen, das Einlassventil während des Einlasstakts erst dann zu öffnen, wenn der Brennraumdruck, der aufgrund eines relativ frühen Schließens des Auslassventils während des vorausgegangenen Ausstoßtakts noch relativ hoch sein kann, auf den (Saugrohr-)Druck des Frischgases in dem Saugrohr der Brennkraftmaschine, d.h. in dem Abschnitt des Frischgasstrangs, an den sich unmittelbar der Verbrennungsmotor anschließt, abgesunken ist, was durch eine bis zu dem Öffnen des Einlassventils erfolgte Vergrößerung des Brennraums und damit durch eine Expansion des darin befindlichen Abgases bewirkt wird. Auf diese Weise kann ein plötzlicher Druckausgleich zwischen dem Brennraumdruck und dem diesbezüglich deutlich niedrigeren Saugrohrdruck und eine daraus resultierende Geräuschentwicklung im Betrieb des Verbrennungsmotors vermieden werden. Zudem werden dadurch auch unnötige Ladungswechselverluste vermieden.
  • Weiterhin kann ein Verändern des Öffnungszeitraums des Einlassventils (bei unveränderter Öffnungsdauer) dazu führen, dass das Einlassventil erst wieder in dem auf den Einlasstakt folgenden Verdichtungstakt geschlossen wird, wodurch die Füllung des Brennraums mit Frischgas verringert wird. Auch dies beeinflusst die in dem anschließenden Ausstoßtakt bewirkte Zwischenverdichtung und kann somit dazu beitragen, die Temperatur des Abgases gezielt einzustellen und/oder den Betriebsbereich, innerhalb dessen der Verbrennungsmotor in der Heizbetriebsart betreibbar ist, möglichst breit auslegen zu können.
  • Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei grundsätzlich mit einem beliebigen Kraftstoff, der zumindest 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.
  • Vorzugsweise kann zur Veränderung der Ventilöffnung des Auslassventils eine Schaltvorrichtung genutzt werden, die mindestens zwei und vorzugsweise exakt zwei diskrete Schaltstellungen aufweist, die sich hinsichtlich der durch die Ventilbetätigungsvorrichtung bewirkten Ventilöffnung des Auslassventils unterscheiden. Eine solche Schaltvorrichtung kann sich, insbesondere im Vergleich zu einer ebenfalls vorteilhaft einsetzbaren Stellvorrichtung, mittels der die Ventilöffnung des Auslassventils 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 Auslassventils vorgesehene Nockenwelle umfasst und die Schaltvorrichtung einen hinsichtlich der bewirkten Übersetzung schaltbaren Schlepphebel aufweist, der eine Auslenkung durch einen Nocken der Nockenwelle (je nach Schaltstellung in unterschiedlichem Ausmaß) auf das Auslassventil überträgt. Ergänzend oder alternativ kann die Schaltvorrichtung auch unterschiedliche Nocken der Nockenwelle umfassen, wobei unterschiedliche Nocken alternativ in Wirkverbindung mit dem Auslassventil bringbar sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass dem Brennraum mindestens zwei oder, vorzugsweise, exakt zwei Auslassventile zugeordnet sind, deren Ventilbetätigung jeweils mittels der Ventilbetätigungsvorrichtung veränderbar ist. Bei einer solchen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung für (zumindest) ein erstes der Auslassventile im Vergleich zu dem Normalbetrieb kleiner eingestellt wird, während (zumindest) ein zweites der Auslassventile während des Heizbetriebs mit einem Nullhub betätigt, d.h. während des Ausstoßtakts nicht geöffnet bzw. geschlossen gehalten wird. Im Vergleich zu den ebenfalls umsetzbaren Alternativen, bei denen während des Heizbetriebs alle Auslassventile (je Brennraum) mit einer im Vergleich zu dem Normalbetrieb kleineren Ventilöffnung oder eines der Auslassventile (je Brennraum) mit einer relativ großen und insbesondere mit der auch für den Normalbetrieb vorgesehenen Ventilöffnung betätigt werden, kann dadurch eine besonders hohe Ladungswechselarbeit und damit eine besonders hohe Temperatur des Abgases realisiert werden.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das oder die während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigten Auslassventile in dem spätestmöglich einstellbaren Öffnungszeitraum bei einer Steuerzeit, die zwischen 120°KW vor LW-OT und 20°KW vor LW-OT liegt, geöffnet werden. Sofern lediglich ein Auslassventil je Brennraum während des Ausstoßtakts mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigt wird, kann dieses in dem spätestmöglich einstellbaren Öffnungszeitraum vorzugsweise bei einer Steuerzeit, die zwischen 120°KW vor LW-OT und 40°KW vor LW-OT, vorzugsweise zwischen 70°KW vor LW-OT und 50°KW vor LW-OT liegt, geöffnet werden. Sofern exakt zwei oder mindestens zwei Auslassventile je Brennraum während des Ausstoßtakts mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigt werden, können diese vorzugsweise bei einer Steuerzeit, die zwischen 100°KW vor LW-OT und 20°KW vor LW-OT, vorzugsweise zwischen 50°KW vor LW-OT und 30°KW vor LW-OT liegt, geöffnet werden.
  • Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das oder die während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigten Auslassventile in dem spätestmöglich einstellbaren Öffnungszeitraum bei einer Steuerzeit, die zwischen 10°KW vor LW-OT und 30°KW nach LW-OT liegt, geschlossen werden.
  • Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs der Öffnungshub des oder der mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigten Auslassventile bei einem Wert liegt, der zwischen 5% und 30%, 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 vorgesehen sein, dass während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors das oder die Auslassventile zumindest zeitweise, ggf. in einer Basisstellung des Auslass-Phasenstellers, bei einer Steuerzeit, die zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT und 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 und insbesondere bei 10°KW vor LW-OT liegt, geschlossen werden. Ebenfalls bevorzugt kann für den Normalbetrieb vorgesehen sein, dass der Öffnungshub des oder der Auslassventile zwischen 1/12 und 1/9 des Hubs eines den Brennraum begrenzenden Hubkolbens (beispielsweise zwischen 8 mm und 10 mm und insbesondere 9 mm) beträgt.
  • Die Angaben der Steuerzeiten können sich 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 vorzugsweise vorgesehene Abgasnachbehandlungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann insbesondere einen NOX-Speicherkatalysator und/oder einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator und/oder einen elektrisch beheizbaren Katalysator umfassen, um eine möglichst vorteilhafte Nachbehandlung des Abgases beziehungsweise um eine möglichst umfassende Reduzierung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe realisieren zu können.
  • Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen ausbilden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Betätigung des oder der Auslassventile je Brennraum identisch für sämtliche der Brennräume vorgesehen ist.
  • Zur automatisierten Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine entsprechend eingerichtete Steuerungsvorrichtung aufweisen.
  • 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 einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
    • 1: in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
    • 2: Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (durchgehende und gestrichelte Linienführungen) und die Auslassventile (durchgehende und gestrichelte Linienführung) sowie die Bewegungskurve eines Hubkolbens (punktierte Linienführung) eines Verbrennungsmotors einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine während eines Heizbetriebs;
    • 3: Abschnitte unterschiedlicher Verläufe des Drucks p in einem Brennraum des Verbrennungsmotors, dessen Einlassventile und Auslassventile mit Ventilerhebungskurven gemäß der 2 betätigt werden; und
    • 4: Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (durchgehende Linienführung) und die Auslassventile (strichpunktierte Linienführung) sowie die Bewegungskurve eines Kolbens (gepunktete Linienführung) des Verbrennungsmotors während des Normalbetriebs.
  • 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 und durchströmt dabei eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 12.
  • Jedem der Brennräume 4 sind gemäß dem in der 1 dargestellten Ausgestaltungsbeispiel 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 und einen Arbeitshubzyklus durchführen. Der Ladungswechselhubzyklus umfasst eine Ausstoßhubbewegung des jeweiligen Hubkolbens 3 (entsprechend einem Ausstoßtakt in dem dazugehörigen Brennraum 4) sowie eine Ansaughubbewegung (entsprechend einem Einlasstakt in dem dazugehörigen Brennraum 4). Der Arbeitshubzyklus umfasst eine Verdichtungshubbewegung des jeweiligen Hubkolbens 3 (entsprechend einem Verdichtungstakt in dem dazugehörigen Brennraum 4) und eine Arbeitshubbewegung (entsprechend einem Arbeitstakt in dem dazugehörigen Brennraum 4). Die vier Hubbewegungen der Hubkolben 3 beziehungsweise die vier entsprechenden Takte der in den Brennräumen 4 ablaufenden Kreisprozesse entsprechen dabei einem Betriebszyklus, der in dem jeweiligen Brennraum 4 des Verbrennungsmotors 1 stattfindet. 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 Ladungswechselhubzyklus der einzelnen Hubkolben 3 werden die dazugehörigen Einlassventile 9 und die Auslassventile 10 mittels der Ventilbetätigungsvorrichtung 11 zu definierten Steuerzeiten geöffnet und geschlossen, wie dies in den 2 und 4 gezeigt ist. Mit LOT ist dabei jeweils der obere Totpunkt der einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Ladungswechselhubzyklus und mit ZOT der obere Totpunkt der einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Arbeitshubzyklus 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, die nachfolgend als variable Auslassventile 10 bezeichnet werden, mit einer deutlich kleineren Ventilöffnung betätigt werden, als dies gemäß einem Normalbetrieb vorgesehen ist (vgl. 4). 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.
  • Durch das Öffnen der variablen Auslassventile 10 während des Heizbetriebs mit relativ kleinen Ventilöffnungen wird relativ heißes Abgas in den Abgasstrang 8 abgeführt. Dies kann beispielsweise ausgenutzt werden, um nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein möglichst schnelles Aufheizen der in den Abgasstrang 8 integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 zu erreichen.
  • Die Ventilbetätigungsvorrichtung 11 umfasst erfindungsgemäß einen Auslass-Phasensteller 13, mittels dessen die Öffnungszeiträume der Auslassventile 10 veränderbar sind, sowie optional einen Einlass-Phasensteller 14, mittels dessen die Öffnungszeiträume der Einlassventile 9 veränderbar sind.
  • Durch eine Veränderung des Öffnungszeitraums, in dem das oder (jeweils) die variablen Auslassventile während des Heizbetriebs geöffnet werden, können die während des jeweiligen Ausstoßtakts erfolgenden Zwischenkompressionen, die durch die relativ kleinen Ventilöffnungen der Auslassventile 10 bewirkt werden und die zu der Erzeugung relativ heißen Abgases führen, beeinflusst werden. Dies ist in den 2 und 3 verdeutlicht.
  • In der 2 sind konkret zwei unterschiedliche, durch den Auslass Phasensteller 13 einstellbare Ventilerhebungskurven, gemäß denen das oder die variablen Auslassventile 10, die jedem der Brennräume 4 zugeordnet sind, während das Heizbetriebs betätigt werden können, dargestellt. Diese unterscheiden sich lediglich hinsichtlich des Öffnungszeitraums, nicht jedoch hinsichtlich der Ventilöffnung. Die mit durchgezogener Linienführung dargestellte Ventilerhebungskurve kann dabei einem mittels des Auslass Phasenstellers 13 spätestmöglich einstellbaren Öffnungszeitraum entsprechen. Die mit gestrichelter Linienführung dargestellte Ventilerhebungskurve entspricht dagegen einem früher gelegenen Öffnungszeitraum. Infolge einer solchen nach früh verlagerten Ventilbetätigung des oder der variablen Auslassventile 10 ist der Zeitraum, der während des Ausstoßtakts in dem jeweiligen Brennraum 4 für eine Zwischenkompression des darin enthaltenen Abgases zur Verfügung steht, verkürzt, was sich in entsprechend verringerten Brennraumdrücken bemerkbar macht. Dies ist in der 3 gezeigt, in der verschiedene Verläufe des Drucks p in einem Brennraum 4, dessen zugeordnete Einlassventile 9 und Auslassventile 10 gemäß den in der 2 dargestellten Ventilerhebungskurven betätigt werden, dargestellt sind.
  • Mit durchgezogener Linienführung ist in der 3 ein Verlauf des Brennraumdrucks p dargestellt, der sich einstellt, wenn das oder die variablen Auslassventile 10 sowie die Einlassventile 9 mit denjenigen Ventilerhebungskurven, die auch in der 2 mit durchgezogenen Linienführungen dargestellt sind, betätigt werden. Mit gestrichelter Linienführung ist dagegen ein Verlauf des Brennraumdrucks p dargestellt, der sich einstellt, wenn das oder die variablen Auslassventile 10 mit der Ventilerhebungskurve, die in der 2 mit gestrichelter Linienführung dargestellt ist, und folglich mit einem nach früh verschobenen Öffnungszeitraum betätigt werden, während die Einlassventile 9 mit der in der 2 mit durchgezogener Linienführung dargestellten Ventilerhebungskurve betätigt werden. Es zeigt sich, dass durch ein Verschieben des Öffnungszeitraums, in dem das oder die variablen Auslassventile 10 während des Heizbetriebs geöffnet werden, der maximal während des Ausstoßtakts auftretende Brennraumdruck 9 beeinflusst und insbesondere beschränkt werden kann. Dies kann ausgenutzt werden, um den Heizbetrieb in einem relativ großen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 1 einsetzen zu können, da dann ein maximal zulässiger Brennraumdruck p, der während des Ausstoßtakts infolge des oder der geöffneten Auslassventile 10 niedriger sein kann, als die während des Arbeitstakts auftretenden Brennraumdrücke p, erst bei relativ hohen Kombinationen aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl überschritten würde.
  • Weiterhin kann durch ein Verschieben des Öffnungszeitraums, in dem das oder die variablen Auslassventile 10 je Brennraum 4 geöffnet sind, die Temperatur des in den Abgasstrang 8 überführten Abgases gezielt eingestellt werden, weil die Abgastemperatur direkt abhängig von dem Ausmaß der Zwischenkompression beziehungsweise von dem sich während des Ausstoßtakts maximal einstellenden Brennraumdrucks p ist.
  • Und schließlich kann durch ein Verändern des Öffnungszeitraums, in dem das oder die variablen Auslassventile 10 betätigt werden, eine iAGR realisiert und hinsichtlich des dabei in dem jeweiligen Brennraum 4 zurückgehaltenen Abgases auch gezielt eingestellt werden, wenn ein Schließen des oder der variablen Auslassventile 10 noch während des Ausstoßtakts realisiert wird, wie dies bei der in der 2 mit gestrichelter Linienführung dargestellten Ventilerhebungskurve der Fall ist. Auch kann dadurch die Ladungswechselarbeit minimiert werden.
  • Eine während des Heizbetriebs noch weitergehende Beeinflussung der Zwischenkompression und damit des maximal während des Ausstoßtakts in den einzelnen Brennräumen 4 auftretenden Brennraumdrucks p kann durch ein zusätzliches Verändern des Öffnungszeitraums, in dem die Einlassventile 9 geöffnet sind, realisiert werden. In der 2 ist mit gestrichelter Linienführung eine Ventilerhebungskurve dargestellt, gemäß der die den einzelnen Brennräumen 4 zugeordneten Einlassventile 9 betätigt werden und die gegenüber einer mit durchgezogener Linienführung dargestellten Basis-Ventilerhebungskurve, die durch einen Öffnungsbeginn, der im Wesentlichen im LOT liegt, und einem Öffnungsende, das im Wesentlichen im darauffolgenden UT liegt, gekennzeichnet ist, einen später liegenden Öffnungszeitraum aufweist. Insbesondere liegt das Öffnungsende bei dieser nach spät verschobenen Ventilerhebungskurve bereits deutlich in dem Verdichtungstakt, wodurch die Füllung des Brennraums 4 mit Frischgas beeinflusst und konkret gegenüber einem Betätigen der Einlassventile 9 gemäß der Basis-Ventilerhebungskurve verringert ist. Diese verringerte Füllung führt zu einer weiter verringerten Zwischenkompression und damit zu einem nochmals niedrigeren Brennraumdruck p während des jeweiligen Ausstoßtakts. Dies ist in der 3 anhand des mit gepunkteter Linienführung dargestellten Verlaufs des Brennraumdrucks p dargestellt. Zur Erzielung dieses Druckverlaufs wurden das oder die variablen Auslassventile gemäß der in der 2 mit gestrichelter Linienführung dargestellten, relativ früh gelegenen Ventilerhebungskurve geöffnet.
  • Ein bereits deutlich vor dem LOT liegendes Schließens des oder der variablen Auslassventile 10 führt dazu, dass im LOT eine relevante Menge an Abgas in dem jeweiligen Brennraum 4 verbleibt, was zur Realisierung einer iAGR gewollt sein kann. Würden dann die Einlassventile 9 gemäß der in der 2 mit durchgezogener Linienführung dargestellten Ventilerhebungskurve im Wesentlichen unmittelbar im LOT geöffnet, könnte dies zu einem ungewollten Geräuschverhalten im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 führen, weil dann ein relativ großer Unterschied zwischen dem Druck des in dem Brennraum 4 verbliebenen Abgases und dem Druck des Frischgases in dem Frischgasstrang 5 vorliegt, der sehr schnell über die dann geöffneten Einlassventile 9 abgebaut würde. Dies kann vermieden werden, wenn der Öffnungszeitraum der Einlassventile 9 soweit nach spät verschoben wird, dass diese erst zu einem Zeitpunkt geöffnet werden, in dem der Druck des Abgases infolge der bereits eingesetzten Ansaughubbewegung des zugehörigen Hubkolbens 3 soweit abgesenkt wurde, dass dieser im Wesentlichen dem Druck des Frischgases in dem Frischgasstrang 5 entspricht. Auch dies verdeutlicht die 3, wonach der mit gepunkteter Linienführung dargestellte Druckverlauf, der der Spätverstellung des Öffnungszeitraums, in dem die Einlassventile 9 gemäß der 2 geöffnet sind, entspricht, in der ersten Hälfte des Einlasstakts deutlich langsamer abfällt, als dies für den mit gestrichelter Linienführung dargestellten Druckverlauf, der den Basis-Ventilerhebungskurven der Einlassventile 9 gemäß der 2 entspricht, der Fall ist.
  • In dem Normalbetrieb kann sich die für die Auslassventile 10 jeweils vorgesehene Öffnungsdauer über den gesamten Ausstoßtakt erstrecken. 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. Der Verbrennungsmotor 1 wird in der Normalbetriebsart betrieben, sobald eine ausreichende hohe Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 erreicht wurde und solange diese auch nicht wieder unterschritten wird.
  • Der Auslass-Phasensteller 13 und der optional vorgesehene Einlass-Phasensteller 14 können auch während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors 1 genutzt werden, um eine Veränderung der jeweiligen Öffnungszeiträume zu bewirken. Die 4 zeigt diesbezüglich lediglich eine jeweilige Basiseinstellung, in der die Ventilerhebungskurven hinsichtlich einer möglichst geringen Ladungswechselarbeit und damit eines möglichst großen Wirkungsgrads im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 möglichst optimal eingestellt sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    (Viertakt-)Verbrennungsmotor
    2
    Zylinder
    3
    Kolben
    4
    Brennraum
    5
    Frischgasstrang
    6
    Frischgasverdichter
    7
    Abgasturbine
    8
    Abgasstrang
    9
    Einlassventil
    10
    Auslassventil
    11
    Ventilbetätigungsvorrichtung
    12
    Abgasnachbehandlungseinrichtung
    13
    Auslass-Phasensteller
    14
    Einlass-Phasensteller
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004016386 B4 [0002, 0003]

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen Brennraum (4) ausbildet, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (4) mittels mindestens eines Auslassventils (10) steuerbar ist, wobei das Auslassventil (10) mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung (11) betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils (10) während des in dem Brennraum (4) stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Auslass-Phasenstellers (13) der Öffnungszeitraums des Auslassventils (10) veränderbar ist.
  2. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einbringen von Frischgas in den Brennraum (4) mittels mindestens eines Einlassventils (9) steuerbar ist, wobei mittels eines Einlass-Phasenstellers (14) der Öffnungszeitraum des Einlassventils (9) veränderbar ist.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors (1) die während des in dem Brennraum (4) stattfindenden Ausstoßtakts erfolgenden Ventilöffnung des Auslassventils (10) im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (1) kleiner eingestellt wird, wobei während des Heizbetriebs mittels des Auslass-Phasenstellers (13) der Öffnungszeitraum des Auslassventils (10) verändert wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs die Temperatur des Abgases gezielt eingestellt wird, indem der Öffnungszeitraum des Auslassventils (10) verändert wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs der Öffnungszeitraum des Auslassventils (10) in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck verändert wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Verändern des Öffnungszeitraums des Auslassventils (10) nach früh ein Überschreiten eines maximal zulässigen Brennraumdrucks (p) verhindert wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs eine iAGR gezielt eingestellt wird, indem der Öffnungszeitraum des Auslassventils (10) verändert wird.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7 zum Betrieben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, während des Heizbetriebs bei einer Veränderung des Öffnungszeitraums des Auslassventils (10) nach früh der Öffnungszeitraum des Einlassventils (9) nach spät verändert wird.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs das Auslassventil (10) - in dem spätestmöglich einstellbaren Öffnungszeitraum bei einer Steuerzeit, die zwischen 120°KW vor LW-OT und 20°KW vor LW-OT liegt, geöffnet und bei einer Steuerzeit, die zwischen 10°KW vor LW-OT und 30°KW nach LW-OT liegt, geschlossen wird und/oder - mit einem Öffnungshub, der zwischen 5% und 30% des Öffnungshubs im Normalbetrieb beträgt, betätigt wird.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Normalbetriebs das Auslassventil (10) zumindest zeitweise - 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 und/oder - mit einem Öffnungshub, der zwischen 1/12 und 1/9 des Hubs eines den Brennraum (4) begrenzenden Hubkolbens (3) beträgt, betätigt wird.
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