DE102019113752A1

DE102019113752A1 - Regeneration einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung

Info

Publication number: DE102019113752A1
Application number: DE102019113752.7A
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 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor 1, der einen oder mehrere Brennräume 4 ausbildet, und einen Abgasstrang 7, der eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 integriert, umfasst. Ein Ausbringen von Abgas aus dem oder den Brennräumen 4 ist mittels eines oder mehrerer Auslassventile 9 je Brennraum 4 steuerbar, wobei das oder die Auslassventile 9 mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung 10 betätigbar sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils 9 oder zumindest einiger der Auslassventile 9 (variable Auslassventile) während des Ausstoßtakts in dem jeweiligen Brennraum 4 veränderbar ist. Während eines Heizbetriebs wird die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile 9 im Vergleich zu einem Normalbetrieb kleiner eingestellt, um relativ heißes Abgas zu erzeugen. Der Heizbetrieb wird temporär durchgeführt, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 thermisch zu regenerieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, der einen oder mehrere Brennräume ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem oder den Brennräumen mittels eines oder mehrerer Auslassventile je Brennraum steuerbar ist, wobei das oder die Auslassventile mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser im Betrieb des Verbrennungsmotors die Ventilöffnung des Auslassventils oder zumindest einiger der Auslassventile (variable Auslassventile) während des in dem jeweils dazugehörigen Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts veränderbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des Ausstoßtakts in dem jeweiligen Brennraum erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils oder der variablen 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 den mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeordneten 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 Abgasnachbehandlungskomponente bewirkt werden.
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 durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, die der Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für ein Kraftfahrzeug dient, vorgesehen. Bei einem solchen Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) handeln. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine umfasst einen (Viertakt-)Verbrennungsmotor, der einen oder mehrere Brennräume ausbildet. Weiterhin umfasst eine solche Brennkraftmaschine einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor, wobei in den Abgasstrang eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert ist. Ein Ausbringen von Abgas aus dem oder den Brennräumen und in den Abgasstrang ist mittels eines oder mehrerer Auslassventile je Brennraum steuerbar, wobei das oder 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 des Auslassventils oder jeweils zumindest einiger der Auslassventile (diese werden nachfolgend als variable Auslassventile bezeichnet) während des in dem jeweils dazugehörigen 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. Dabei ist vorgesehen, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des in dem jeweiligen Brennraum stattfindenden Ausstoßtakts erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils oder der variablen Auslassventile im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kleiner eingestellt wird.
Ein solcher Heizbetrieb dient der temporären Erzeugung relativ heißen Abgases, was durch die relativ kleine Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile während des Ausstoßtakts in dem jeweiligen Brennraum erreicht wird.
Ein solcher Heizbetrieb kann einerseits dazu dienen, möglichst schnell ein Aufheizen der in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente davon zu bewirken. Dadurch kann einerseits möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtung realisiert werden. Ein Heizbetrieb der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart kann demnach insbesondere solange vorgesehen sein, bis eine Anspring- beziehungsweise Light-off-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente davon, ab der von einer ausreichenden Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung beziehungsweise der Abgasnachbehandlungskomponente ausgegangen werden kann, erreicht wurde. 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 kann ein temporärer Heizbetrieb auch sinnvoll sein, um ein Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung, nachdem diese zuvor bereits ihre Anspringtemperatur erreicht hatte, auf einen Wert unterhalb dieser Anspringtemperatur zu vermeiden. Ein solches Auskühlen könnte beispielsweise dann auftreten, wenn die Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum mit relativ niedrigen Lasten und Drehzahlen betrieben wird.
Erfindungsgemäß ist, gegebenenfalls ergänzend zu einem Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung/Abgasnachbehandlungskomponente bis zum Erreichen einer dazugehörigen Anspringtemperatur oder zu einem Aufrechthalten einer die Anspringtemperatur übersteigenden Temperatur, vorgesehen, dass der Heizbetrieb temporär durchgeführt wird, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente davon thermisch zu regenerieren.
Als „thermische Regeneration“ wird dabei ein Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung/Abgasnachbehandlungskomponente auf eine definierte Mindesttemperatur, die insbesondere deutlich über der Anspringtemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder der Abgasnachbehandlungskomponente liegen kann, verstanden, wobei dieses Aufheizen mit dem Ziel erfolgt, ein gegenüber einem Ausgangszustand reduziertes Abgasnachbehandlungspotenzial der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder der Abgasnachbehandlungskomponente davon, das sich infolge einer vorausgegangenen Abgasnachbehandlungswirkung der Abgasnachbehandlungseinrichtung/Abgasnachbehandlungskomponente eingestellt hat, zumindest teilweise rückgängig zu machen.
Eine thermische Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder der Abgasnachbehandlungskomponente davon, die auf einem Heizbetrieb des Verbrennungsmotors basiert, kann auf relativ schnelle Art und Weise durchführbar sein, so dass diese auch innerhalb einer relativ kurzen Betriebsdauer des Verbrennungsmotors, wie sie sich beispielsweise aufgrund eines regelmäßigen Kurzstreckenbetriebs eines eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs ergeben kann, zum Abschluss gebracht werden kann.
Die Notwendigkeit einer bedarfsweisen thermischen Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann insbesondere dann gegeben sein, wenn diese einen Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder einen Partikelfilter umfasst.
Für eine Regeneration eines Partikelfilters kann es dabei gegebenenfalls notwendig sein, diesen während des Heizbetriebs auf eine Temperatur von mindestens 650°C aufzuheizen, um einen die Regeneration bewirkenden Abbrand von in dem Partikelfilter verfangenen Partikeln zu gewährleisten.
Für einen Stickoxid-Speicherkatalysator kann dagegen einerseits eine Regeneration vorgesehen sein, die auf ein Entsticken abzielt, wobei Stickoxide, die zuvor in dem Stickoxid-Speicherkatalysator eingelagert beziehungsweise gespeichert wurden, wieder ausgelagert werden. Andererseits kann für einen Stickoxid-Speicherkatalysator zeitweise ein Entschwefeln beziehungsweise eine Desulfatisierung erforderlich sein, um Sulfate, die durch eine Reaktion von Schwefel, das in dem Kraftstoff, der in dem Verbrennungsmotor verbrannt wurde, enthalten war, mit dem Speichermaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators entstanden sind, abzubauen beziehungsweise zu reduzieren. Hierfür ist üblicherweise eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators erforderlich, die deutlich höher als diejenige liegt, ab der ein Entsticken des Stickoxid-Speicherkatalysators realisiert wird. Dementsprechend kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs zumindest zeitweise eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators von mindestens 200°C bis 300°C eingestellt wird, um diesen lediglich zu entsticken. Zudem kann vorgesehen sein, dass zumindest zeitweise während des Heizbetriebs eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators von mindestens 300°C eingestellt wird, um diesen zu entschwefeln.
Zu berücksichtigen ist bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dass ein Heizbetrieb der Brennkraftmaschine aufgrund der relativ kleinen Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile während des Ausstoßtakts in dem jeweils zugehörigen Brennraum mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors einhergeht und es daher sinnvoll ist, den Heizbetrieb nur dann und nur solange durchzuführen, wie damit auch relevante Vorteile verbunden sind.
Insbesondere vor diesem Hintergrund kann es auch sinnvoll sein, dass die Temperatur des während des Heizbetriebs erzeugten Abgases mittels einer oder mehrerer Maßnahmen, die unabhängig von einer Änderung des Betriebspunkts, in dem der Verbrennungsmotor betrieben wird, sind, gezielt eingestellt und vorzugsweise sogar geregelt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Heizbetrieb immer dann durchgeführt wird, wenn dies für ein Erreichen oder Aufrechthalten einer ausreichend hohen Abgastemperatur erforderlich ist; gleichzeitig wird der Heizbetrieb aber auch nur solange und gegebenenfalls auch nur so intensiv durchgeführt, wie dies für ein Aufrechthalten einer ausreichend hohen Abgastemperatur erforderlich ist.
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. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Temperatur des Abgases an zumindest einer Stelle als zu beeinflussende (Regel-)Größe ermittelt und insbesondere gemessen 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 erfolgt beziehungsweise eingestellt wird.
Für ein gezieltes Einstellen und insbesondere Regeln der Temperatur des Abgases kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass, gegebenenfalls auch mehrfach, zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb umgeschaltet und/oder während des Heizbetriebs die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile variiert wird.
Sofern während des Heizbetriebs die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile variiert wird, kann dies einerseits abgestuft, d.h. in mehreren und insbesondere mindestens oder exakt zwei oder mindestens oder exakt drei fest definierten und nicht veränderbaren Stufen, oder stufenlos, d.h. in grundsätzlich einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Stufen, erfolgen. Eine abgestufte Variation kann mit dem Vorteil verbunden sein, eine in konstruktiver Hinsicht relativ einfach ausgestaltete Ventilbetätigungsvorrichtung nutzen zu können. Der Vorteil einer stufenlose Variation liegt dagegen insbesondere in einer möglichst exakten Einstellbarkeit/Regelbarkeit der Abgastemperatur.
Eine (Ist-)Abgastemperatur kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens entweder direkt ermittelt, d.h. gemessen werden oder diese kann indirekt anhand eines rechnerischen Ersatzmodells basierend auf Betriebsparametern (z.B. Last und Drehzahl, mit der der Verbrennungsmotor betrieben wird) der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Auch Kombinationen beider Verfahren sind möglich, indem beispielsweise ausgehend von einem Messwert für die Abgastemperatur an einer ersten Stelle die Ist-Abgastemperaturen an einer zweiten Stelle des Abgasstrangs modellbasiert ermittelt wird. In gleicher Weise kann eine (Ist-)Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente davon gemessen oder indirekt ermittelt werden, beispielsweise indem diese anhand eines rechnerischen Ersatzmodells ausgehend von einer gemessenen oder wiederum modellbasiert ermittelten Abgastemperatur in Kombination mit einer Einwirkdauer des entsprechend temperierten Abgases auf die Abgasnachbehandlungseinrichtung oder die Abgasnachbehandlungskomponente hergeleitet wird.
Die Ventilbetätigungsvorrichtung einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteilhafter Weise einsetzbaren Brennkraftmaschine kann vorzugsweise vollvariabel ausgebildet sein, so dass jedem Auslassventil eine individuell ansteuerbare, beispielsweise elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zugeordnet ist, wodurch für jedes Auslassventil ein beliebig variierbarer Öffnungsvorgang realisierbar ist, der sich zudem von dem Öffnungsvorgang jedes anderen Auslassventils unterscheiden kann. Mittels einer solchen vollvariablen Ventilbetätigungsvorrichtung kann in vorteilhafter Weise sowohl ein Umschalten zwischen einer für den Heizbetrieb vorgesehen Ventilöffnung und der für den Normalbetrieb vorgesehenen Ventilöffnung und damit ein Umschalten zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb realisiert als auch während des Heizbetriebs die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile variiert werden.
Weiterhin kann die Ventilbetätigungsvorrichtung einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft einsetzbaren Brennkraftmaschine eine Profilwechselvorrichtung umfassen. Mittels einer solchen Profilwechselvorrichtung kann das variable Auslassventil oder können die variablen Auslassventile vorzugsweise jeweils mittels eines oder mehrerer Nocken einer Nockenwelle, die zur direkten oder indirekten Betätigung des oder der Auslassventile vorgesehen ist, unterschiedlich betätigt werden. Hierzu kann die Profilwechselvorrichtung beispielsweise für das oder jedes der variablen Auslassventile einen hinsichtlich des Übersetzungsverhältnisses veränderbaren Schlepphebel aufweisen, der eine Auslenkung durch einen dazugehörigen Nocken der Nockenwelle (in variablem Ausmaß) auf das dazugehörige Auslassventil überträgt. Ergänzend oder alternativ kann die Profilwechselvorrichtung auch unterschiedliche Nocken der Nockenwelle umfassen, wobei die unterschiedlichen Nocken alternativ in eine direkte oder indirekte (beispielsweise über jeweils einen Schlepphebel) Wirkverbindung mit dem dazugehörigen, variablen Auslassventil bringbar sind.
Bei dem Verbrennungsmotor einer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor handeln. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass es sich dabei um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handelt. Der Verbrennungsmotor kann dabei grundsätzlich mit einem beliebigen Kraftstoff, der überwiegend aus Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen besteht, insbesondere mit einem derzeit üblichen Flüssigkraftstoff (d.h. mit Diesel-Kraftstoff oder Benzin) oder mit einem bei Umgebungsbedingungen gasförmigen Kraftstoff (insbesondere mit Erdgas (CNG), LNG, LPG oder Wasserstoff) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen ausbilden. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass jedem dieser Brennräume eine Mehrzahl von Auslassventilen (insbesondere zwei) zugeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass für sämtliche oder nur für einzelne, insbesondere für nur ein einziges der jedem Brennraum zugeordneten Auslassventile die Ventilöffnung während des Ausstoßtakts derart veränderbar ist, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors die während des Ausstoßtakts in dem jeweiligen Brennraum erfolgende Ventilöffnung kleiner als während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors eingestellt werden kann (variable Auslassventile). Sofern während des Heizbetriebs nur ein Teil der Auslassventile je Brennraum mit einer relativ kleinen Ventilöffnung betätigt wird, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das oder die dazugehörigen übrigen Auslassventile vollständig geschlossen gehalten werden (abschaltbare Auslassventile). Dadurch kann im Vergleich zu einem Betätigen aller Auslassventile je Brennraum mit einer relativ kleinen Ventilöffnung und, in einem noch stärkeren Ausmaß, im Vergleich zu einem Öffnen der übrigen Auslassventile je Brennraum mit einer dem Normalbetrieb entsprechenden, relativ großen Ventilöffnung besonders heißes Abgas erzeugt werden.
Eine Veränderung der Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile kann bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzugsweise durch eine Verschiebung des jeweiligen Öffnungsbeginns während des Ausstoßtakts in dem dazugehörigen Brennraum (vorzugsweise in Kombination mit einer Änderung der Öffnungsdauer, d.h. das Öffnungsende wird nicht oder in einem anderen Ausmaß als der Öffnungsbeginn verschoben) und/oder durch eine Variation des Öffnungshubs (d.h. des maximalen Öffnungswegs des jeweiligen Auslassventils) realisierbar sein.
Vorzugsweise kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors das oder die variablen Auslassventile bei einer Steuerzeit, die zwischen 70°KW vor LW-OT (°KW: Kurbelwellenwinkel) und 50°KW vor LW-OT liegt, geöffnet und, weiterhin bevorzugt, bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT liegt, geschlossen wird/werden. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs der Öffnungshub des oder der variablen Auslassventile zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 10% und 20%, im Vergleich zu dem Öffnungshub im Normalbetrieb beträgt. Beispielsweise kann der Öffnungshub dann zwischen 1 mm und 2 mm betragen.
Ebenfalls bevorzugt kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors das oder die Auslassventile bei einer Steuerzeit, die zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT, insbesondere bei 200°KW vor LW-OT, liegt, geöffnet und, weiterhin bevorzugt, bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT, liegt, geschlossen wird/werden. Ebenfalls bevorzugt kann für den Normalbetrieb vorgesehen sein, dass der Öffnungshub jeweils zwischen 8 mm und 10 mm, insbesondere 9 mm, beträgt.
Die Angaben der Steuerzeiten können sich auf eine 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 und
2: Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (punktierte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende und gestrichelte Linienführungen) der Brennkraftmaschine.

Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete 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 (nicht dargestellt) geführt wird. Dieser Frischgasverdichter 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 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 7 der Brennkraftmaschine abgeführt. Das Abgas durchströmt dabei neben der Abgasturbine 6 auch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 11, die dafür vorgesehen ist, Bestandteile des Abgases, die als Schadstoffe angesehen werden, aus dem Abgas zu entfernen beziehungsweise in unschädliche Bestandteile umzuwandeln.
Jedem der Brennräume 4 sind gemäß dem in der 1 dargestellten Ausgestaltungsbeispiel 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 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 Hubkolbens 3 beziehungsweise die vier entsprechenden Takte der in den Brennräumen 4 ablaufenden Kreisprozesse entsprechen dabei einem Betriebsbeziehungsweise Kreisprozesszyklus, der in dem jeweiligen Brennraum 4 des Verbrennungsmotors 1 stattfindet.
In Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel im Ladungswechselhubzyklus der einzelnen Hubkolben 3 werden die Einlassventile 8 und die Auslassventile 9 mittels der Ventilbetätigungsvorrichtung 10 zu definierten Steuerzeiten geöffnet und geschlossen, wie dies beispielhaft in der 2 gezeigt ist. Mit LW-OT ist dabei der jeweilige Zeitpunkt gekennzeichnet, zu dem die einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Ladungswechselhubzyklus ihren oberen Totpunkt durchlaufen.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 der Brennkraftmaschine umfasst in Strömungsrichtung des Abgases gesehen eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 12, bei der es sich um einen Stickoxid-Speicherkatalysator oder um eine Kombination aus einem Oxidationskatalysator und einem Stickoxid-Speicherkatalysator handelt.
Dieser ersten Abgasnachbehandlungskomponente 12 schließt sich eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente in Form eines Partikelfilters 13 an. Dabei ist beispielhaft vorgesehen, dass der Partikelfilter 13 beziehungsweise der diesen ausbildende Filterkörper eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist, wodurch der Partikelfilter 13 gleichzeitig einen ersten SCR-Katalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 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 13 durchströmt, wird mittels einer stromauf des Partikelfilters 13 angeordneten ersten Dosiervorrichtung 14 für ein solches Reduktionsmittel realisiert. Bei dem Reduktionsmittel kann es sich insbesondere um Ammoniak oder um eine ammoniakhaltige Lösung handeln. Zwischen der ersten Dosiervorrichtung 14 und dem Partikelfilter 13 ist eine erste Mischvorrichtung 15 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 11 umfasst, in einer Anordnung stromab des Partikelfilters 13, als dritte Abgasnachbehandlungskomponente einen (weiteren) SCR-Katalysator 16. Dem SCR Katalysator 16 ist in einer Anordnung stromauf davon eine zweite Dosiervorrichtung 17 für ein Reduktionsmittel sowie, in einer Anordnung zwischen dieser zweiten Dosiervorrichtung 17 und dem SCR-Katalysator 16, eine zweite Mischvorrichtung 18 zugeordnet. Die zweite Dosiervorrichtung 17 kann insbesondere dann sinnvoll oder notwendig sein, wenn, wie dies in der 1 dargestellt ist, zwischen dem Partikelfilter 13 und dieser zweiten Dosiervorrichtung 17 eine Abgasrückführleitung 19 aus dem Abgasstrang 7 abgeht, über die bedarfsweise ein Teil des Abgases in den Frischgasstrang 5 zurückgeführt werden kann. Sofern eine solche externe Abgasrückführung durchgeführt wird, sollte vermieden werden, dass in dem dabei zurückgeführten Abgas noch nicht umgesetztes Reduktionsmittel enthalten ist. Eine Dosierung mittels der ersten Dosiervorrichtung 14 sollte daher zumindest dann, wenn eine externe Abgasrückführung durchgeführt wird, derart erfolgen, dass stromab des Partikelfilters 13 möglichst kein Reduktionsmittel mehr in dem Abgas enthalten ist. Dies erfordert dann jedoch ein zusätzliches Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas vor dem SCR-Katalysator 16, um durch diesen eine Reduktion der Schadstoffe realisieren zu können.
Als in Strömungsrichtung letzte Komponente beziehungsweise als vierte Abgasnachbehandlungskomponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 ist ein Sperrkatalysator 20 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, so dass ein Freisetzen dieses Reduktionsmittels in die Umgebung vermieden wird.
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 9 (nachfolgend als variable Auslassventile 9 bezeichnet) mit einer kleineren Ventilöffnung betätigt werden, als dies während eines Normalbetriebs vorgesehen ist. Die entsprechenden Ventilerhebungskurven sind in der 2 gestrichelt dargestellt, wobei beispielhaft drei sich hinsichtlich der Ventilöffnung unterscheidende Ventilerhebungskurven, die für einen Heizbetrieb vorgesehen sein können, dargestellt sind. 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.
Eine relativ kleine Ventilöffnung des oder der den einzelnen Brennräumen 4 zugeordneten, variablen Auslassventile 9 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass zum einen der Öffnungsbeginn im Vergleich zu dem Normalbetrieb nach spät beziehungsweise näher in Richtung des LW-OT verschoben ist und zum anderen der Öffnungshub verkleinert ist, wohingegen das Öffnungsende im Vergleich zu dem Normalbetrieb gleich ist. Infolge des relativ späten Öffnungsbeginns der Öffnungsbewegungen der variablen Auslassventile 9 erfolgt in dem Ausstoßtakt zunächst noch (bei geschlossenen Auslassventilen 9) eine relativ starke Verdichtung von in den Brennräumen 4 enthaltenem Abgas (Zwischenverdichtung), womit bereits eine Erwärmung dieses Abgases verbunden ist. Werden die variablen Auslassventile 9 dann geöffnet, strömt dieses relativ stark verdichtete Abgas durch die nur mit jeweils relativ kleinem Öffnungshub geöffneten variablen Auslassventile 9, 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. Durch das Öffnen der variablen Auslassventile 9 mit jeweils einer relativ kleinen Ventilöffnung wird folglich relativ heißes Abgas in den Abgasstrang 7 abgeführt. Dies kann einerseits dazu genutzt werden, um ein möglichst schnelles Aufheizen der in den Abgasstrang 7 integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zu erreichen. Weiterhin kann dadurch bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit sehr niedrigen Lasten und Drehzahlen ein zu starkes Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 beziehungsweise zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente auf eine Temperatur, die unterhalb ihrer Anspringtemperatur liegt, vermieden werden. Weiterhin ist vorgesehen, den Heizbetrieb dann durchzuführen, wenn zumindest eine der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere der Stickoxid-Speicherkatalysator der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 12 und/oder oder der Partikelfilter 13, regeneriert werden müssen. Der Heizbetrieb wird dann solange und mit einer ausreichenden Intensität durchgeführt, bis der Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder der Partikelfilter 13 eine für die jeweilige Regeneration erforderliche Mindesttemperatur erreicht hat und diese Mindesttemperatur wird dann ausreichend lange aufrechtgehalten, um die Regeneration zum Abschluss zu bringen (es sei denn, ein Betrieb der Brennkraftmaschine wird vor dem Abschluss der Regeneration beendet).
In dem Normalbetrieb erstreckt sich die für die Auslassventile 9 vorgesehene Öffnungsdauer gemäß der in der 2 mit durchgezogener Linienführung dargestellten Ventilerhebungskurve über den gesamten Ausstoßtakt. Zudem ist in dem Normalbetrieb der Öffnungshub der Auslassventile 9 größer als dies für die variablen Auslassventile 9 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. Ein relativ großer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 1 geht dabei mit einer relativ niedrigen Abgastemperatur einher.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Abgases geregelt wird, um möglichst exakt eine definierte Soll-Abgastemperatur zu erreichen und aufrechtzuhalten. Dazu kann aus einer ermittelten Ist-Abgastemperatur eine Differenz (Regelabweichung) zu der Soll-Abgastemperatur ermittelt und zur Minimierung der Differenz gegebenenfalls mehrfach zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb umgeschaltet und/oder während des Heizbetriebs die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile 9 variiert werden.
Die für eine solche Regelung vorgesehene Ist-Abgastemperatur kann insbesondere mittels eines oder mehrerer Temperatursensoren, die an einer, einigen oder allen der in der 1 dargestellten Messstellen 21 angeordnet sein können, ermittelt werden, wobei bei einer Ermittlung anhand mehrerer Temperatursensoren eine Mittelung der Messwerte dieser Temperatursensoren erfolgen kann, um die für die Regelung vorgesehene Ist-Abgastemperatur zu ermitteln.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor 1, neben dem Normalbetrieb, einen Heizbetrieb mit einer Betätigung der variablen Auslassventile 9 mit lediglich einer einzigen der in der 2 dargestellten Ventilerhebungskurven ermöglicht. Hierfür kann beispielsweise eine Ventilbetätigungsvorrichtung 10 genutzt werden, die eine Profilwechselvorrichtung umfasst, mittels der jeweils zwei unterschiedliche Nocken alternativ in Wirkverbindung mit den variablen Auslassventilen 9 bringbar sind. Zur Erzielung und Aufrechthaltung einer definierten Soll-Abgastemperatur kann dann vorgesehen sein, dass, ausgehend von einem Heizbetrieb zu einem Normalbetrieb gewechselt wird, wenn aufgrund des Heizbetriebs die Ist-Abgastemperatur einen oberen Temperaturschwellenwert, der definiert größer als die Soll-Abgastemperatur ist, überschreitet. Infolge des dann durchgeführten Normalbetriebs kann die Ist-Abgastemperatur daraufhin bis unter einen unteren Temperaturschwellenwert, der definiert kleiner als die zu diesem Zeitpunkt vorgesehene Soll-Abgastemperatur ist, absinken, was dazu führt, dass für den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 wieder von dem Normalbetrieb zu dem Heizbetrieb gewechselt wird. Durch ein solches mehrfaches Umschalten zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb wird demnach die Ist-Abgastemperatur so beeinflusst, dass diese so weit wie möglich der definierten Soll-Abgastemperatur entspricht beziehungsweise die Ist-Abgastemperatur lediglich um eine relativ geringe Differenz von der Soll-Abgastemperatur abweichen kann.
Für eine Regelung der Abgastemperatur, die exakter und/oder hinsichtlich des Betriebs des Verbrennungsmotors vorteilhafter sein kann, kann eine Ausgestaltung der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, die nicht nur ein Umschalten zwischen dem Normalbetrieb und dem Heizbetrieb gewährleistet, sondern die weiterhin ermöglicht, die Ventilöffnung, die für die variablen Auslassventile 9 während des Heizbetriebs vorgesehen ist, in Grenzen zu variieren. Dies kann dann sowohl in exakt vordefinierten Abstufungen (in der 2 sind insgesamt drei dargestellt) als auch stufenlos vorgesehen sein. Für eine abgestufte Variation der für die variablen Auslassventile 9 während des Heizbetriebs vorgesehenen Ventilöffnungen eignet sich beispielsweise ebenfalls eine Profilwechselvorrichtung der Ventilbetätigungsvorrichtung 10, die für jedes der variablen Auslassventile 9 eine entsprechende Anzahl unterschiedlicher Nocken einer Nockenwelle umfasst, die alternativ in Wirkverbindung mit dem dazugehörigen variablen Auslassventil 9 bringbar sind. Für eine stufenlose Variation kann dagegen vorzugsweise eine vollvariable Ventilbetätigungsvorrichtung 11 oder eine solche, bei der eine Betätigung der variablen Auslassventile 9 mittels Nocken einer Nockenwelle sowie über jeweils einen stufenlos hinsichtlich des Übersetzungsverhältnisses beeinflussbaren Schlepphebel bewirkt wird, vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: (Viertakt-)Verbrennungsmotor
2: Zylinder
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Abgasturbine
7: Abgasstrang
8: Einlassventil
9: Auslassventil
10: Ventilbetätigungsvorrichtung
11: Abgasnachbehandlungseinrichtung
12: erste Abgasnachbehandlungskomponente
13: Partikelfilter
14: erste Dosiervorrichtung für ein Reduktionsmittel
15: erste Mischvorrichtung
16: SCR-Katalysator
17: zweite Dosiervorrichtung für ein Reduktionsmittel
18: zweite Mischvorrichtung
19: Abgasrückführleitung
20: Sperrkatalysator
21: Messstelle

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

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), der einen oder mehrere Brennräume (4) ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) integrierenden Abgasstrang (7) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1), wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem oder den Brennräumen (4) mittels eines oder mehrerer Auslassventile (9) je Brennraum (4) steuerbar ist, wobei das oder die Auslassventile (9) mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung (10) betätigbar ist/sind, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) die Ventilöffnung des Auslassventils (9) oder zumindest einiger der Auslassventile (9) (variable Auslassventile) während des Ausstoßtakts in dem dazugehörigen Brennraum (4) derart veränderbar ist, dass während eines Heizbetriebs des Verbrennungsmotors (1) die während des Ausstoßtakts in dem jeweiligen Brennraum (4) erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils (9) oder der variablen Auslassventile (9) im Vergleich zu einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (1) kleiner eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb temporär durchgeführt wird, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) thermisch zu regenerieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Einstellung der Temperatur des Abgases zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb umgeschaltet wird und/oder während des Heizbetriebs die Ventilöffnung des oder der variablen Auslassventile (9) stufenlos oder abgestuft variiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases geregelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) einen Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder einen Partikelfilter (13) umfasst, wobei der Heizbetrieb temporär durchgeführt wird, um den Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder den Partikelfilter (13) thermisch zu regenerieren.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während des Heizbetriebs eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators von mindestens 300°C eingestellt wird, um diesen zu entschwefeln.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während des Heizbetriebs eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators von zwischen 200°C und 300°C eingestellt wird, um diesen zu entsticken.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs das oder die variablen Auslassventile (9) - 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 das oder die Auslassventile (9) - bei einer Steuerzeit, die zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT liegt, geöffnet und bei einer Steuerzeit, die zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT liegt, geschlossen wird/werden und/oder - mit einem Öffnungshub zwischen 8 mm und 10 mm betätigt wird/werden.