DE102019113751A1

DE102019113751A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung

Info

Publication number: DE102019113751A1
Application number: DE102019113751.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan Kellner; Johannes Bunkus
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 umfasst, der einen Brennraum ausbildet, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum mittels mindestens eines ersten Auslassventils und eines zweiten Auslassventils steuerbar ist, wobei die Auslassventile mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung zumindest eines der Auslassventile während des Ausstoßtakts in dem Brennraum veränderbar ist. In einem Heizbetrieb des Verbrennungsmotors wird das erste Auslassventil während des Ausstoßtakts geschlossen gehalten oder mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleineren Ventilöffnung betätigt und das zweite Auslassventil wird mit der dem Normalbetrieb entsprechenden Ventilöffnung betätigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum mittels mindestens eines ersten Auslassventils und eines zweiten Auslassventils steuerbar ist, wobei die Auslassventile mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung zumindest eines der Auslassventile während des in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung zumindest eines der Auslassventile im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleiner eingestellt wird.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannt. Der Heizbetrieb wird dort temporär nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine durchgeführt, um durch das Betätigen der Auslassventile mit im Vergleich zu dem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnungen die Ladungswechselarbeit, die für ein Ausstoßen von Abgas über die Auslassventile erforderlich ist, zu erhöhen und damit das Abgas mit einer relativ hohen Temperatur in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine abzuführen. Dadurch kann ein möglichst schnelles Erwärmen einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung bewirkt werden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine eine vorteilhafte Möglichkeit zur bedarfsweise Erzeugung von Abgas mit relativ hoher Temperatur aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte 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 direkten oder indirekten 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.
Eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine umfasst einen (Viertakt-)Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet. Weiterhin kann eine solche Brennkraftmaschine einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor sowie einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor umfassen. Ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum und in den Abgasstrang ist mittels mindestens eines ersten Auslassventils und eines zweiten Auslassventils steuerbar, wobei die Auslassventile mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar 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, zumindest eines der Auslassventile während des in dem Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist. Dabei kann die Änderung der Ventilöffnung bis zu einem Geschlossenhalten des Auslassventils (d.h. ohne bzw. keine Ventilöffnung) gehen. Das oder die Auslassventile, deren Ventilöffnung veränderbar ist, werden nachfolgend auch als variable Auslassventile bezeichnet.
Vorgesehen ist, dass in einem bedarfsweise vorgesehenen (ersten) Heizbetrieb des Verbrennungsmotors das erste Auslassventil während des Ausstoßtakts geschlossen gehalten oder mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleineren Ventilöffnung betätigt wird und das zweite Auslassventil während des Ausstoßtakts mit der dem Normalbetrieb entsprechenden Ventilöffnung betätigt wird. Ein im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführter Heizbetrieb kann grundsätzlich der temporären Erzeugung relativ (im Vergleich zu dem Normalbetrieb) heißen Abgases dienen, was in der (ersten) Heizbetriebsart durch das Geschlossenhalten oder die Betätigung des ersten Auslassventils mit relativ kleiner Ventilöffnung erreicht wird. Im ersten Fall wird das gesamte in dem Brennraum befindliche Abgas während des Ausstoßtakts durch lediglich das zweite Auslassventil ausgebracht. Dies führt zu einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, die durch die dadurch ansteigenden Ladungswechselverluste mit einer relativ hohen Temperatur im Vergleich zu einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, in dem sämtliche Auslassventile mit der relativ großen und vorzugsweise möglichst großen Ventilöffnung betätigt werden, verbunden ist. In dem zweiten Fall weist zumindest der Teil des Abgases, der durch das mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigte erste Auslassventil aus dem Brennraum abgeführt wird, eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit auf, was sich ebenfalls durch den Anstieg der Ladungswechselverluste in einer relativ hohen Temperatur dieses Teils des Abgas bemerkbar macht. Im Vergleich zu dem aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannten Verfahren ist für beide Varianten die während des (ersten) Heizbetriebs erzielbare Temperaturerhöhung geringer. Infolge der Öffnung des zweiten Auslassventils mit der auch für den Normalbetrieb vorgesehenen, vorzugsweise größtmöglichen Ventilöffnung kann der Heizbetrieb im Vergleich zu dem aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannten Verfahren jedoch in einem deutlich größeren Betriebsbereich angewendet werden. Insbesondere kann der (erste) Heizbetrieb auch bei relativ hohen Betriebsdrehzahlen bis hin zur maximal zulässigen Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors, bevorzugt bei niedriger Betriebslast, durchgeführt werden.
Vor diesem Hintergrund kann es sinnvoll sein, wenn im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens der Verbrennungsmotor bedarfsweise auch in einem zweiten Heizbetrieb betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird, in dem das erste Auslassventil oder das zweite Auslassventil während des Ausstoßtakts mit einer im Vergleich zu dem Normalbetrieb kleineren Ventilöffnung betätigt wird und das entsprechende andere Auslassventil während des Ausstoßtakts geschlossen gehalten oder mit ebenfalls einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleineren Ventilöffnung betätigt wird. In dem zweiten Heizbetrieb kann folglich besonders heißes Abgas erzeugt werden, da das Abgas in dem Brennraum zu Beginn des Ausstoßtakts zunächst noch bei noch geschlossenen Auslassventilen verdichtet wird (was nachfolgend auch als Zwischenverdichtung bezeichnet wird), womit bereits einer Erwärmung des Abgases verbunden ist. Werden die Auslassventile dann geöffnet, strömt das verdichtete Abgas durch die oder sogar nur durch ein mit relativ kleiner Ventilöffnung geöffnetes Auslassventil, woraus besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten und somit Ladungswechselverluste resultieren, die zu einer weiteren Erwärmung des Abgases beitragen. Es ist offensichtlich, dass besonders heißes Abgas erzeugt werden kann, wenn nur eines der Auslassventile mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigt wird, während das andere Auslassventil geschlossen gehalten wird, weil dann das gesamte Abgas durch das mit nur relativ kleiner Ventilöffnung betätigte Auslassventil ausgebracht werden muss, womit besonders hohe Ladungswechselverluste durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten verbunden sind.
Ein Betrieb des Verbrennungsmotors in der zweiten Heizbetriebsart kann aufgrund der deutlichen Einschränkung für das Abführen von Abgas aus dem Brennraum hinsichtlich des umsetzbaren Betriebsbereichs beschränkt, d.h. lediglich bei relativ kleinen Kombinationen aus Betriebslast (und daraus resultierendem, von dem Verbrennungsmotor abgegebenem Drehmoment) und Betriebsdrehzahl umsetzbar sein. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, wenn der Verbrennungsmotor in dem ersten Heizbetrieb betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor abgegebene Leistung oberhalb eines (unteren) Leistungsgrenzwerts oder eines (unteren) Leistungsgrenzwertbereichs liegt, und in dem zweiten Heizbetrieb betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor abgegebene Leistung unterhalb des (unteren) Leistungsgrenzwerts oder des (unteren) Leistungsgrenzwertbereichs liegt. Bei einem Betrieb mit exakt dem (unteren) Leistungsgrenzwert oder innerhalb des (unteren) Leistungsgrenzwertbereichs kann dann sowohl der erste als auch der zweite Heizbetrieb vorgesehen sein. Dadurch wird ermöglicht, unter Berücksichtigung des konkreten Betriebspunkts, in dem der Verbrennungsmotor betrieben wird, und der sich daraus ergebenden Beschränkungen möglichst heißes Abgas zu erzeugen.
Der Verbrennungsmotor einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Brennkraftmaschine kann gegebenenfalls bei besonders hohen Kombinationen aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl auch nicht in der ersten Heizbetriebsart betrieben werden, so dass vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass der Verbrennungsmotor in der oder in einer der Heizbetriebsarten betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor abgegebene Leistung unterhalb eines (oberen) Leistungsgrenzwerts oder eines (oberen) Leistungsgrenzwertbereichs liegt und in der Normalbetriebsart betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor abgegebene Leistung oberhalb des (oberen) Leistungsgrenzwerts oder des (oberen) Leistungsgrenzwertbereichs liegt. Bei einem Betrieb mit exakt dem (oberen) Leistungsgrenzwert oder innerhalb des (oberen) Leistungsgrenzwertbereichs kann dann sowohl der erste als auch der zweite Heizbetrieb vorgesehen sein.
Die Definition eines (unteren oder oberen) Leistungsgrenzwertbereichs kann insbesondere dazu dienen, entsprechend einer Regelungshysterese ein relativ häufiges Umschalten zwischen den Betriebsarten bei einem länger andauernden Betrieb des Verbrennungsmotors innerhalb des entsprechenden Leistungsgrenzwertbereichs sowie in der Nähe dieses Leistungsgrenzwertbereichs zu vermeiden. Ebenso kann die Definition eines (unteren oder oberen) Leistungsgrenzwertbereichs dazu dienen, den Leistungsgrenzwert, ab dem ein Umschalten erfolgt, in Abhängigkeit von beispielsweise der Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors zu variieren (innerhalb des Leistungsgrenzwertbereichs).
Ein Heizbetrieb des Verbrennungsmotors kann insbesondere dazu dienen, möglichst schnell ein Aufheizen einer in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente davon zu bewirken. Ein solches Aufheizen kann dabei insbesondere mit dem Ziel erfolgen, möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder der Abgasnachbehandlungskomponente zu realisieren.
Als „Kaltstart“ 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.
Vor diesem Hintergrund sieht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der Verbrennungsmotor in der oder in einer der Heizbetriebsarten betrieben wird, wenn eine der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeordnete Temperatur unterhalb eines Temperaturgrenzwerts oder eines Temperaturgrenzwertbereichs liegt. Der Verbrennungsmotor wird dagegen in dem Normalbetrieb betrieben, wenn diese Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung oberhalb des Temperaturgrenzwerts oder des Temperaturgrenzwertbereichs liegt. Die Definition eines Temperaturgrenzwertbereichs kann insbesondere dazu dienen, entsprechend einer Regelungshysterese ein relativ häufiges Umschalten zwischen den Betriebsarten bei einem länger andauernden Betrieb des Verbrennungsmotors innerhalb des Temperaturgrenzwertbereichs sowie in der Nähe des Temperaturgrenzwertbereichs zu vermeiden.
Bei dem Verbrennungsmotor einer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten 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 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. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Betätigung der mindestens zwei Auslassventile je Brennraum identisch für sämtliche der Brennräume vorgesehen ist.
Eine Verkleinerung oder Vergrößerung 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.
Vorzugsweise kann zur Veränderung 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 der bewirkten Übersetzung schaltbaren Schlepphebel aufweist, der eine Auslenkung durch einen Nocken der Nockenwelle (in unterschiedlichem Ausmaß oder, um das variable Auslassventil geschlossen zu halten, auch gar nicht) auf ein zugeordnetes variables Auslassventil überträgt. Ergänzend oder alternativ kann die Schaltvorrichtung auch unterschiedliche Nocken der Nockenwelle umfassen, wobei jeweils unterschiedliche Nocken (ggf. einschließlich eines sogenannten Nullnockens, der keine Ventilöffnung bewirkt) alternativ in Wirkverbindung mit dem oder den variablen Auslassventilen bringbar sind.
Vorzugsweise kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des ersten Heizbetriebs und/oder des zweiten Heizbetriebs des Verbrennungsmotors das oder die variablen Auslassventile, sofern für diese eine relativ kleine Ventilöffnung vorgesehen ist, 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, sofern für diese eine relativ kleine Ventilöffnung vorgesehen ist, bei einem Wert liegt, der 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 die Auslassventile 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 jeweils zwischen 8 mm und 10 mm liegt und insbesondere 9 mm beträgt.
Die 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 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;
2a: für einen Brennraum eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (durchgehende Linienführung) und die Auslassventile (gestrichelte Linienführung) während eines ersten Heizbetriebs gemäß einer ersten Variante;
2b: für einen Brennraum des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (durchgehende Linienführung) und die Auslassventile (gestrichelte Linienführung) während eines ersten Heizbetriebs gemäß einer zweiten Variante;
3: für einen Brennraum des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (durchgehende Linienführung) und die Auslassventile (gestrichelte Linienführung) während eines zweiten Heizbetriebs;
4: für einen Brennraum des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (durchgehende Linienführung) und die Auslassventile (strichpunktierte Linienführung) während eines Normalbetriebs; und
5: ein beispielhaftes Betriebskennfeld einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. 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 und eine darin integrierte Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 abgeführt.
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 können.
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 Ansaugtakt 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 Takte der in den Brennräumen 4 ablaufenden Kreisprozesse entsprechen dabei einem Betriebsbeziehungsweise Kreisprozesszyklus, der in dem jeweiligen Brennraum 4 des Verbrennungsmotors 1 abläuft. Die Hubkolben 3 sind über Pleuel (nicht dargestellt) mit einer Kurbelwelle 13 verbunden, wobei die oszillierenden Bewegungen der Hubkolben 3 zu einer Rotation der Kurbelwelle 13 führen.
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 2a bis 4 gezeigt ist. Mit LW-OT ist dabei jeweils der obere Totpunkt der Bewegungen der einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Ladungswechselhubzyklus gekennzeichnet.
Der Verbrennungsmotor 1 der Brennkraftmaschine kann einerseits in einem ersten Heizbetrieb betrieben werden, in dem entweder gemäß der 2a ein erstes der jedem der Brennräume 4 zugeordneten Auslassventile 10 mit einer deutlich kleineren Ventilöffnung betätigt wird, als dies gemäß einem Normalbetrieb vorgesehen ist (vgl. auch 4). Alternativ kann das erste Auslassventil aber auch gemäß der 2b während des Ausstoßtakts geschlossen gehalten werden. Das zweite der Auslassventile 10 je Brennraum 4 wird in beiden Varianten dagegen auch während des ersten Heizbetriebs mit der dem Normalbetrieb entsprechenden Ventilöffnung betätigt.
Der Verbrennungsmotor 1 der Brennkraftmaschine kann weiterhin in einem zweiten Heizbetrieb betrieben werden, in dem gemäß der 3 eines oder beide der jedem der Brennräume 4 zugeordneten Auslassventile 10 mit einer deutlich kleineren Ventilöffnung betätigt werden, als dies gemäß dem Normalbetrieb vorgesehen ist. Wird während des zweiten Heizbetriebs nur eines der Auslassventile 10 je Brennraum 4 mit einer relativ kleinen Ventilöffnung betätigt, wird das dazugehörige zweite Auslassventil 10 vollständig geschlossen gehalten (in der 3 mit gepunkteter Linie gezeigt).
Eine relativ kleine Ventilöffnung des oder der Auslassventile 10, die den einzelnen Brennräumen 4 zugeordnet sind, wird während eines der Heizbetriebe 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.
In dem Normalbetrieb erstreckt sich die für alle der Auslassventile 10 identisch vorgesehene Öffnungsdauer über den gesamten Ausstoßtakt. Zudem ist in dem Normalbetrieb der Öffnungshub der Auslassventile 10 deutlich größer als dies für das oder die in einem der Heizbetriebe mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigten Auslassventile 10 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. Zudem kann es nur dadurch möglich sein, den Verbrennungsmotor 1 auch mit sehr großen Kombinationen aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl zu betreiben.
Vorgesehen ist, den Verbrennungsmotor 1 in einer der Heizbetriebsarten zu betreiben, wenn eine der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 zugeordnete Temperatur unterhalb eines Temperaturgrenzwerts und insbesondere unterhalb einer Anspring- beziehungsweise Light-off-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 oder zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente davon, ab er von einer ausreichenden Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 beziehungsweise der Abgasnachbehandlungskomponente ausgegangen werden kann, liegt, da durch das Betätigen zumindest eines der Auslassventile 10 je Brennraum 4 mit relativ kleiner Ventilöffnung relativ heißes Abgas erzeugt wird, was ausgenutzt werden kann, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 aufzuheizen oder um ein Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 bis auf eine Temperatur unterhalb des Temperaturgrenzwerts zu vermeiden. Dabei kann der Betriebsbereich, innerhalb dessen der Verbrennungsmotor 1 in den Heizbetriebsarten betreibbar ist, beschränkt sein, wie dies in der 5 gezeigt ist.
Die 5 zeigt ein vereinfacht dargestelltes, beispielhaftes Betriebskennfelddiagramm der Brennkraftmaschine. Darin ist über der Vertikalachse das von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugte effektive Drehmoment Meff als Kennwert der Betriebslast und über der Horizontalachse die Betriebsdrehzahl n, mit der der Verbrennungsmotor 1 der Brennkraftmaschine betrieben wird, aufgezeichnet. Begrenzt wird das Betriebskennfeld hinsichtlich des effektiven Drehmoments Meff durch die sogenannte Volllastkennlinie 14 und hinsichtlich der Betriebsdrehzahl n durch die maximal zulässige Betriebsdrehzahl nmax des Verbrennungsmotors 1. Ein Betriebsbereich 15 innerhalb dieses Betriebskennfelds, in dem der Verbrennungsmotor 1 ausschließlich in dem Normalbetrieb betreibbar ist, ist in der 5 mit horizontaler Schraffur dargestellt. Weiterhin sind zwei Betriebsbereiche 16, 17 dargestellt, in denen der Verbrennungsmotor 1 in einem Heizbetrieb und damit für zumindest eines der Auslassventile 10 mit relativ kleiner Ventilöffnung im Vergleich zu dem Normalbetrieb betreibbar ist. Ein zweiter, relativ kleiner Heizbetriebsbereich 17 ist in der 5 kreuzschraffiert dargestellt. Dieser zweite Heizbetriebsbereich 17 ist im Vergleich zu einem größeren ersten Heizbetriebsbereich 16, der den zweiten Heizbetriebsbereich 17 sowie einen rechtsschraffiert dargestellten Erweiterungsbereich 18 umfasst, durch relativ kleine Kombinationen aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl n gekennzeichnet.
In dem zweiten Heizbetriebsbereich 17 kann besonders heißes Abgas erzeugt werden, weil entweder beide Auslassventile 10 je Brennraum 4 mit relativ kleiner Ventilöffnung gemäß der 3 betätigt werden oder sogar eines dieser Auslassventile 10 vollständig geschlossen gehalten wird. Demnach erfolgt in jedem Ausstoßtakt der einzelnen Brennräume 4 zunächst noch (bei noch geschlossenen Auslassventilen 10) eine relativ starke Verdichtung von in den Brennräumen 4 enthaltenem Abgas (Zwischenverdichtung), womit bereits eine Erwärmung dieses Abgases verbunden ist. Wird das einzelne oder werden die beiden Auslassventile 10 dann geöffnet, strömt dieses relativ stark verdichtete Abgas durch das oder die mit nur relativ kleinem Öffnungshub geöffneten Auslassventile 10, woraus hohe Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, die zu einer weiteren Erwärmung des Abgases beitragen. Weiterhin trägt die Anhebung der inneren Motorlast, die zur Überwindung der höheren Ausschiebeverluste erforderlich ist, zur Anhebung der Abgastemperatur bei.
Die größenmäßige Einschränkung des zweiten Heizbetriebsbereich 17 kann sich dadurch ergeben, dass bereits bei relativ kleinen Kombinationen aus Betriebslast M und Betriebsdrehzahl n Abgastemperaturen erreicht werden, die infolge einer zu großen Wärmeleistung des Abgases zu einer lokalen thermischen Überlastung des Abgasstrangs 8 und insbesondere der darin integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 sowie der Abgasturbine 7 führen können.
Vorgesehen ist daher, bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit einer Kombination aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl n beziehungsweise mit einer Leistung, die oberhalb eines unteren Leistungsgrenzwertbereichs 19, der in der 5 als Grenzwertgerade dargestellt ist, in der ersten Heizbetriebsart betrieben wird, sofern diese Kombination aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl n gleichzeitig unterhalb eines oberen Leistungsgrenzwertbereichs 20, der in der 5 ebenfalls als Grenzwertgerade dargestellt ist und oberhalb dessen ausschließlich ein Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 1 möglich ist, liegt.
In dem ersten Heizbetrieb wird gemäß den 2a und 2b ein erstes der Auslassventile 10 je Brennraum 4 mit der auch für den zweiten Heizbetrieb vorgesehenen, relativ kleinen Ventilöffnungen betätigt oder geschlossen gehalten, während das dazugehörige andere Auslassventil 10 mit der dem Normalbetrieb entsprechenden Ventilöffnung betätigt wird. Das dabei aus dem jeweiligen Brennraum 4 ausgebrachte Abgas ist im Vergleich zu dem zweiten Heizbetrieb einerseits deutlich kälter und andererseits deutlich wärmer als Abgas, das in einem entsprechenden Betriebspunkt während des Normalbetriebs erzeugt würde. Dementsprechend wird auch in dem ersten Heizbetrieb ein Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 gefördert oder es wird zumindest ein Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 vermieden oder gering gehalten.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Brennkraftmaschine bei Kombinationen aus Betriebslast und Betriebsdrehzahl n, die unterhalb des unteren Leistungsgrenzwertbereichs 19 liegen, in der ersten Heizbetriebsart zu betreiben. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn die dabei realisierte Abgastemperatur ausreichend hoch ist, um ein Aufrechthalten einer definierten Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 zu realisieren. Der höhere Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 wirkt sich dann vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch aus.
Sobald eine ausreichende hohe Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 erreicht wurde und solange diese auch nicht wieder unterschritten wird, wird der Verbrennungsmotor 1 in sämtlichen Betriebspunkten in der Normalbetriebsart betrieben.
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: Abgasnachbehandlungseinrichtung
13: Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
14: Volllastkennlinie
15: Betriebsbereich für ausschließlichen Normalbetrieb
16: erster Heizbetriebsbereich
17: zweiter Heizbetriebsbereich
18: Erweiterungsbereich
19: unterer Leistungsgrenzwertbereich
20: oberer Leistungsgrenzwertbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004016386 B4 [0002, 0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen Brennraum (4) ausbildet, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (4) mittels eines ersten Auslassventils (10) und eines zweiten Auslassventils (10) steuerbar ist, wobei die Auslassventile (10) mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung (11) betätigbar sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung zumindest eines der Auslassventile (10) während des Ausstoßtakts in dem Brennraum (4) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem (ersten) Heizbetrieb des Verbrennungsmotors (1) das erste Auslassventil (10) während des Ausstoßtakts geschlossen gehalten oder mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (1) kleineren Ventilöffnung betätigt wird und das zweite Auslassventil (10) während des Ausstoßtakts mit der dem Normalbetrieb entsprechenden Ventilöffnung betätigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Heizbetrieb des Verbrennungsmotors (1) das erste Auslassventil (10) oder das zweite Auslassventil (10) während des Ausstoßtakts mit einer im Vergleich zu dem Normalbetrieb kleineren Ventilöffnung betätigt wird und das entsprechende andere Auslassventil (10) während des Ausstoßtakts geschlossen gehalten oder ebenfalls mit einer im Vergleich zu dem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (1) kleineren Ventilöffnung betätigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) in dem ersten Heizbetrieb betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor (1) abgegebene Leistung oberhalb eines (unteren) Leistungsgrenzwerts oder -grenzwertbereichs (19) liegt und in dem zweiten Heizbetrieb betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor (1) abgegebene Leistung unterhalb des (unteren) Leistungsgrenzwerts oder -grenzwertbereichs (19) liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) in dem Heizbetrieb oder in einem der Heizbetriebe betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor (1) abgegebene Leistung unterhalb eines (oberen) Leistungsgrenzwerts oder -grenzwertbereichs (20) liegt und in dem Normalbetrieb betrieben wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor (1) abgegebene Leistung oberhalb des (oberen) Leistungsgrenzwerts oder -grenzwertbereichs (20) liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) in dem Heizbetrieb oder in einem der Heizbetriebe betrieben wird, wenn eine Temperatur einer in einen Abgasstrang (8) der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung (12) unterhalb eines Temperaturgrenzwerts oder -grenzwertbereichs liegt und in dem Normalbetrieb betrieben wird, wenn die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (12) oberhalb des Temperaturgrenzwerts oder -grenzwertbereichs liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs oder eines der Heizbetriebe das oder die mit relativ kleiner Ventilöffnung betätigten 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.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Normalbetriebs 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 werden und/oder - mit einem Öffnungshub zwischen 8 mm und 10 mm betätigt werden.