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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine.
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Bei konventionellen, als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen wird eine an einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Leistung häufig durch Drosselung der Ansaugluft mittels einer Drosselklappe geregelt. Dadurch wird ein von einem jeweiligen, beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellten Lastpunkt abhängiger Unterdruck im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine erzeugt. Aufgrund dieser sogenannten Quantitätsregelung kommt es zu einem stark progressiven Anstieg der Ladungswechselarbeit hin zu niedrigen Lasten. Um eine drosselfreie Laststeuerung zu realisieren existieren zwar verschiedene Ansätze, jedoch sind nur wenige davon in der Praxis umsetzbar. Zum einen kann ein für den gewünschten Lastzustand erforderlicher Gemischheizwert bei voller Zylinderladung der Verbrennungskraftmaschine durch eine Qualitätsregelung, d.h. durch Verdünnung, eingestellt werden, was durch Kraftstoffdirekteinspritzung realisiert werden kann. Zum anderen kann durch eine geeignete konstruktive Lösung eine für den jeweiligen Lastpunkt gewünschte Gemischmenge bedarfsgerecht und verlustfrei eingestellt werden, was insbesondere durch einen vollvariablen Ventiltrieb erfolgen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches unter geringem Aufwand ein besonders verbrauchsgünstiger Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem Miller-Zyklus. Bei diesem Verfahren wird zur Durchführung wenigstens eines Ansaugtaktes zumindest ein Ventilhub in Millimeter wenigstens eines Einlassventils, welches wenigstens einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist, eingestellt. Darüber hinaus wird bei diesem Verfahren zur Durchführung des wenigstens einen Ansaugtaktes zumindest eine Einlassspreizung in Grad Kurbelwinkel des wenigstens einen Einlassventils derart eingestellt, dass die zumindest eine Einlassspreizung dem Produkt aus dem zumindest einen Ventilhub und zumindest einem Faktor, welcher in einem Wertebereich zwischen einschließlich 6 Grad Kurbelwinkel/Millimeter und einschließlich 10 Grad Kurbelwinkel/Millimeter liegt, entspricht. Dies ist von Vorteil, da somit auf eine aufwendige Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen der Einlassspreizung und dem Ventilhub beispielsweise in Abhängigkeit von einem jeweiligen Lastpunkt und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine am Prüfstand oder in einer Simulation verzichtet werden kann und stattdessen die Einlassspreizung als Produkt aus dem Ventilhub und dem Faktor ermittelt und entsprechend eingestellt werden kann. Dementsprechend ist unter geringem Aufwand ein besonders verbrauchsgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Miller-Zyklus ermöglicht.
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Die Verbrennungskraftmaschine kann eine Recheneinrichtung, insbesondere ein Steuergerät umfassen, mit einem Speichermedium, in welchem der zumindest eine Ventilhub, insbesondere ein Ventilhub-Kennfeld mit einer Vielzahl an drehzahlabhängigen und lastabhängigen Ventilhüben, gespeichert sein kann. In diesem Speichermedium kann auch der zumindest eine Faktor, insbesondere ein Faktor-Kennfeld mit einer Vielzahl an Faktoren, gespeichert sein. Die einzelnen Faktoren der Vielzahl an Faktoren können dementsprechend in dem Wertebereich zwischen einschließlich 6 Grad Kurbelwinkel/Millimeter und einschließlich 10 Grad Kurbelwinkel/Millimeter liegen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein besonders verbrauchsgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Miller-Zyklus ermöglicht ist, wenn ein Verhältnis aus der Einlassspreizung und dem Ventilhub im Wertebereich des Faktors liegt. Damit kann auch ohne aufwendige Ermittlung des Zusammenhangs zwischen der Einlassspreizung und dem Ventilhub am Prüfstand oder in der Simulation eine besonders aufwandsarme Bedatung der Recheneinrichtung bzw. des Speichermediums erfolgen und dennoch ein besonders verbrauchsgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden.
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Die Einheit „Grad Kurbelwinkel/Millimeter“ des Faktors wird nachfolgend auch durch °KW/mm abgekürzt.
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Der Wertebereich kann dabei bevorzugt Einzelwerte von 6,0 °KW/mm, 6,1 °KW/mm, 6,2 °KW/mm, 6,3 °KW/mm, 6,4 °KW/mm, 6,5 °KW/mm, 6,6 °KW/mm, 6,7 °KW/mm, 6,8 °KW/mm, 6,9 °KW/mm, 7,0 °KW/mm, 7,1 °KW/mm, 7,2 °KW/mm, 7,3 °KW/mm, 7,4 °KW/mm, 7,5 °KW/mm, 7,6 °KW/mm, 7,7 °KW/mm, 7,8 °KW/mm, 7,9 °KW/mm, 8,0 °KW/mm, 8,1 °KW/mm, 8,2 °KW/mm, 8,3 °KW/mm, 8,4 °KW/mm, 8,5 °KW/mm, 8,6 °KW/mm, 8,7 °KW/mm, 8,8 °KW/mm, 8,9 °KW/mm, 9,0 °KW/mm, 9,1 °KW/mm, 9,2 °KW/mm, 9,3 °KW/mm, 9,4 °KW/mm, 9,5 °KW/mm, 9,6 °KW/mm, 9,7 °KW/mm, 9,8 °KW/mm, 9,9 °KW/mm und 10,0 °KW/mm umfassen. Bei diesen Einzelwerten kann ein besonders verbrauchsgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Miller-Zyklus erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zumindest eine Ventilhub durch einen variablen Ventiltrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt. Dies ist von Vorteil, da durch den variablen Ventiltrieb eine besonders flexible, beispielsweise stufenlose, insbesondere lastabhängige und drehzahlabhängige, Einstellung des Ventilhubs ermöglicht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die zumindest eine Einlassspreizung durch den variablen Ventiltrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt. Auch die Einstellung der Einlassspreizung kann anhand des variablen Ventiltriebs besonders flexibel, beispielsweise stufenlos, insbesondere lastabhängig und drehzahlabhängig, erfolgen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, welches eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuereinrichtung umfasst, mittels welcher bei einem Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine in einem Miller-Zyklus anhand von gespeicherten Ventilhüben und gespeicherten Faktoren jeweilige Einlassspreizungen ermittelt werden.
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Die einzige Fig. zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug K welches eine Verbrennungskraftmaschine 100 umfasst. Die Verbrennungskraftmaschine kann zum Antreiben jeweiliger, hier nicht weiter dargestellter Antriebsräder des Kraftfahrzeugs K dienen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Kurbelwelle 106 welche über ein nicht näher bezeichnetes Pleuel mit wenigstens einem Kolben 112 gekoppelt ist. Der Kolben 112 ist wenigstens einem Zylinder 108 der Verbrennungskraftmaschine 100 zugeordnet. Ebenfalls diesem Zylinder 108 zugeordnet sind wenigstens ein Einlassventil 102 und wenigstens ein Auslassventil 104, welche zum Ladungswechsel dienen. So kann während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 100 in einem Ansaugtakt (auch als Einlasstakt bezeichnet) über das wenigstens eine Einlassventils 102 Luft in wenigstens einen, dem Zylinder 108 zugeordneten und vorliegend nicht weiter bezeichneten Brennraum einströmen und - nach erfolgter Verbrennung von Kraftstoff im Brennraum - während eines Auslasstaktes Abgas über das wenigstens eine Auslassventil 104 aus dem wenigstens einem Brennraum ausgeschoben werden.
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Zur Betätigung des wenigstens einen Einlassventils 102 sowie des wenigstens einen Auslassventils 104 umfasst die Verbrennungskraftmaschine 100 einerseits eine vorliegend nicht weiter dargestellte, mit der Kurbelwelle 106 gekoppelte Nockenwelle und andererseits einen variablen, insbesondere vollvariablen, Ventiltrieb 120. Der Ventiltrieb 120 ist dazu ausgebildet einen Ventilhub VH in Millimeter zumindest des wenigstens einen Einlassventils 102, insbesondere stufenlos, einzustellen. Darüber hinaus ist der Ventiltrieb 102 dazu ausgebildet, eine Einlassspreizung ES in Grad Kurbelwinkel zumindest des wenigstens einen Einlassventils 102, insbesondere stufenlos, einzustellen.
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Bevorzugt kann der Ventiltrieb 120 auch dazu ausgebildet sein, einen Auslass-Ventilhub in Millimeter zumindest des wenigstens einen Auslassventils 104, insbesondere stufenlos, einzustellen. Darüber hinaus kann der Ventiltrieb 120 bevorzugt auch dazu ausgebildet sein, eine Auslassspreizung in Grad Kurbelwinkel zumindest des wenigstens einen Auslassventils 104, insbesondere stufenlos, einzustellen. Sofern der Ventiltrieb 120 auch zur entsprechenden Verstellung des wenigstens einen Auslassventils 104 ausgebildet ist, kann ein besonders flexibel einstellbarer Ladungswechsel beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 erfolgen.
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Zur Steuerung, also zum geregelten und gesteuerten Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 100 kann Letztere eine als Steuergerät 110 ausgebildete Recheneinrichtung umfassen, welche ein Speichermedium umfassen kann. Auf dem Speichermedium kann ein Ventilhub-Kennfeld VH_KF mit einer Mehrzahl an voneinander verschiedenen Ventilhüben VH sowie ein Faktor-Kennfeld mit einer Mehrzahl an Faktoren F gespeichert sein. Das Steuergerät 110 ist signalübertragend mit dem Ventiltrieb 120 gekoppelt und kann dadurch den Ventiltrieb 120 ansteuern.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 100 in einem Miller-Zyklus, wird zur Durchführung des Ansaugtaktes der Ventilhub VH in Millimeter des wenigstens einen Einlassventils 102, welches dem wenigstens einen Zylinder 108 zugeordnet ist, anhand des Ventiltriebs 120 eingestellt. Darüber hinaus wird zur Durchführung des wenigstens einen Ansaugtaktes die Einlassspreizung ES in Grad Kurbelwinkel (°KW) des wenigstens einen Einlassventils 102 derart anhand des Ventiltriebs 120 eingestellt, dass die Einlassspreizung ES dem Produkt aus dem zumindest einen Ventilhub VH und zumindest einem Faktor F des Faktor-Kennfelds F_KF entspricht. Der Faktor F liegt dabei in einem Wertebereich zwischen einschließlich 6 Grad Kurbelwinkel/Millimeter (auch als 6 °KW/mm abgekürzt) und einschließlich 10 Grad Kurbelwinkel/Millimeter (auch als 10 °KW/mm abgekürzt).
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Jeweils ein Ventilhub VH des Ventilhub-Kennfelds VH_KF kann mit jeweils einem Faktor F des Faktor-Kennfelds F_KF multipliziert werden und dadurch jeweils eine Einlassspreizung ES eines Einlassspreizung-Kennfelds ES_KF ermittelt werden. Dementsprechend kann insgesamt durch Multiplikation jeweils eines Ventilhubs VH des Ventilhub-Kennfelds VH_KF mit jeweils einem Faktor F des Faktor-Kennfelds F_KF jeweils eine Einlassspreizung ES des Einlassspreizung-Kennfelds ES_KF ermittelt werden.
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Das Steuergerät 110 kann somit den Ventiltrieb 120 dazu veranlassen, das wenigstens eine Einlassventil 102 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Ventilhub VH sowie in Abhängigkeit von der jeweiligen Einlassspreizung ES einzustellen. Mit anderen Worten können die jeweiligen, im Steuergerät 110 bzw. auf dessen Speichermedium gespeicherten Werte der jeweiligen Ventilhübe VH sowie der jeweiligen Einlassspreizungen ES mittels des Ventiltriebs 120 an dem wenigstens einen Einlassventil 102 eingestellt werden.
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Beim Miller-Zyklus, welcher auch als Miller-Kreisprozess bezeichnet werden kann, erfolgt ein Schließen des wenigstens einen Einlassventils 102 noch vor dem Ende des Ansaugtaktes, wodurch es zur Verringerung einer Füllung sowie zur Verringerung eines Verdichtungsenddrucks innerhalb des Brennraums des Zylinders 108 kommt. Darüber hinaus werden bei einer Verbrennung von Kraftstoff in dem Brennraum geringere Abgastemperaturen erreicht, als bei einem späteren Schließen des Einlassventils 102. Aufgrund dieser geringeren Abgastemperaturen wird ein mit der Verbrennungskraftmaschine 100 abgasleitend gekoppelter, vorliegend nicht weiter gezeigter Katalysator, welcher zur Abgasnachbehandlung dient, einer geringeren Temperaturbelastung ausgesetzt und gleichzeitig eine hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine 100 bei stöchiometrischem Betrieb, also bei einem Verbrennungsluftverhältnis von λ=1, auch λ1-Leistung genannt, erzielt. Beim Miller-Zyklus wird das Einlassventil 102 insbesondere vor Erreichen der maximal möglichen Füllung geschlossen. Damit wird die Füllung im Brennraum des Zylinders 108 vor einem, an den Ansaugtakt anschließenden Kompressionstakt erst expandiert, wodurch eine Temperaturabsenkung einer in dem Brennraum enthaltenen Ladung erfolgt, und dementsprechend auch geringere, bei der Verbrennung auftretende Abgastemperaturen erreicht werden. Ein zweiter Effekt besteht darin, dass zum Ausgleichen der durch den Miller-Zyklus verringerten Füllung einen Ladedruck, welcher durch einen nicht weiter gezeigten Abgasturbolader der Verbrennungskraftmaschine 100 bereitgestellt werden kann, steigt, wobei ein dem Abgasturbolader zugeordnetes Wastegate stärker geschlossen wird und damit weniger Massenstrom über das Wastegate abgesteuert wird. Dadurch werden insgesamt die geringeren Abgastemperaturen vor dem Katalysator und höhere λ1-Leistungen erreicht.
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Durch das vorliegende Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 100 kann beispielsweise auf eine aufwändige Ermittlung des Einlassspreizung-Kennfelds ES_KF am Prüfstand oder durch Simulationen verzichtet werden. Es hat sich herausgestellt, dass auch bei unterschiedlichen Nockenwellen ein systematischer Zusammenhang in Form des Faktors F bzw. des Faktor-Kennfelds F_KF zwischen der Einlassspreizung ES bzw. dem Einlassspreizung-Kennfeld ES_KF und dem Ventilhub VH bzw. dem Ventilhub-Kennfeld VH_KF, insbesondere für jeweils denselben Lastpunkt der Verbrennungskraftmaschine 100, besteht, wodurch das Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 100 besonders nahe im Bereich eines jeweiligen Optimums des entsprechenden Lastpunktes ermöglicht ist. Dies gilt sowohl für Nockenwellen mit längerer Öffnungsdauer als auch bei sogenannten Miller-Nockenwellen mit kürzerer Öffnungsdauer.
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Folgende Beispielrechnung soll dabei zur Erläuterung dienen:
- Bei einem vorbestimmten Lastpunkt im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 bei 50 % der Maximallast und 50 % der Maximaldrehzahl der Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise der Ventilhub VH mit einem Wert von 6,5 mm eingestellt werden. Entspricht der diesem Lastpunkt zugeordnete Faktor einem Wert von beispielsweise 10 °KW/mm, so ergibt sich für denselben Lastpunkt die Einlassspreizung ES zu einem Wert von 65 °KW. Die Einlassspreizung ES entspricht dabei einem Abstand in Grad Kurbelwinkel (°KW), in Bezug auf die Kurbelwelle 106, zwischen einer maximalen Ventilöffnung des wenigstens einen Einlassventils 102 und einem Zünd-OT (oberer Totpunkt, in dessen Nähe eine Zündung erfolgt) der Verbrennungskraftmaschine 100.
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Zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 100 in dem Miller-Zyklus kann das Faktor-Kennfeld F_KF zunächst vorbedatet werden, also beispielsweise für sämtliche Drehzahlen und Lasten der Verbrennungskraftmaschine 100 der vorbestimmten Wert von beispielsweise 9 °KW/mm oder beispielsweise 10 °KW/mm in dem Steuergerät 110 gespeichert werden. Ist zusätzlich auch das Ventilhub-Kennfeld VH_KF in dem Steuergerät 110 gespeichert, so können sämtliche Einlassspreizungen ES des Einlassspreizung-Kennfelds ES_KF durch entsprechende Multiplikation der einzelnen, den jeweiligen Lastpunkten der Verbrennungskraftmaschine 100 zugeordneten Ventilhübe VH mit den einzelnen, den jeweiligen Lastpunkten zugeordneten Faktoren F ermittelt werden.
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Sofern ein maximal möglicher Hub, auch als Maximalhub bezeichnet, des Einlassventils 102, beispielsweise im Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 eingestellt werden soll, so kann bevorzugt ein von dem Wertebereich abweichender Zusatz-Faktor zur Ermittlung einer Soll-Einlassspreizung (gewünschte Spreizung des Einlassventils 102) herangezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verbrennungskraftmaschine
- 102
- Einlassventil
- 104
- Auslassventil
- 106
- Kurbelwelle
- 108
- Zylinder
- 110
- Steuergerät
- 112
- Kolben
- 120
- variabler Ventiltrieb
- ES
- Einlassspreizung
- ES_KF
- Einlassspreizung-Kennfeld
- F
- Faktor
- F_KF
- Faktor-Kennfeld
- K
- Kraftfahrzeug
- VH
- Ventilhub
- VH_KF
- Ventilhub-Kennfeld
