DE102020201434A1 - Internal combustion engine with increased gas throughput in overrun mode - Google Patents
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Abstract
Eine Brennkraftmaschine 1 umfasst- einen 4-Takt-Verbrennungsmotor 3, der mindestens einen Brennraum 6 aufweist, in dem im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 ein Hubkolben 5 zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) zyklisch bewegt wird und dem mindestens ein Einlassventi 20 und ein Auslassventil 21 zugeordnet sind,- einen Frischgasstrang 7, in den ein Frischgasverdichter 9 eines Abgasturboladers sowie, stromab des Frischgasverdichters 9, eine Drosselklappe 11 integriert sind, und- einen Abgasstrang 13, in den eine Abgasturbine 12 des Abgasturboladers sowie, stromab der Abgasturbine 12, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 14 integriert sind, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung 14 bedarfsweise mittels eines Abgasnachbehandlungsbypasses 17 umgehbar ist, der zwischen der Abgasturbine 12 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 14 aus dem Abgasstrang 13 abgeht, und wobei während eines unbefeuerten Schubbetriebs- die Drosselklappe 11 in eine teilweise oder vollständig geöffnete Stellung gestellt ist und- eine Durchströmung des Abgasnachbehandlungsbypasses 17 freigegeben ist und- das Einlassventil 20 in jedem zwischen dem OT und dem darauffolgenden UT liegenden Kolbenhubbereich geöffnet ist und- das Auslassventil 21 in jedem zwischen dem UT und dem darauffolgenden OT liegenden Kolbenhubbereich geöffnet ist.Dadurch kann im Schubbetrieb ein möglichst großer Gasmassenstrom die Abgasturbine 12 durchströmen.An internal combustion engine 1 comprises a 4-stroke internal combustion engine 3, which has at least one combustion chamber 6, in which a reciprocating piston 5 is cyclically moved between a top dead center (OT) and a bottom dead center (BDC) during operation of the internal combustion engine 1 and at least an inlet valve 20 and an outlet valve 21 are assigned, - a fresh gas line 7, in which a fresh gas compressor 9 of an exhaust gas turbocharger and, downstream of the fresh gas compressor 9, a throttle valve 11 are integrated, and - an exhaust gas line 13, in which an exhaust gas turbine 12 of the exhaust gas turbocharger and, downstream of the exhaust gas turbine 12, an exhaust gas aftertreatment device 14 is integrated, wherein the exhaust gas aftertreatment device 14 can be bypassed if necessary by means of an exhaust gas aftertreatment bypass 17, which goes off between the exhaust gas turbine 12 and the exhaust gas aftertreatment device 14 from the exhaust system 13, and wherein the throttle valve 11 is in a partially or fully constantly open position and- a flow through the exhaust gas aftertreatment bypass 17 is released and- the inlet valve 20 is open in each piston stroke area between TDC and the following BDC and- the outlet valve 21 is open in each piston stroke area between BDC and the following TDC As a result, the largest possible gas mass flow can flow through the exhaust gas turbine 12 in overrun mode.
Description
Die Erfindung betrifft eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger.
Brennkraftmaschinen, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, werden vielfach zur Leistungssteigerung aufgeladen. Dazu wird das den Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeführte Frischgas mittels eines Frischgasverdichters verdichtet. Dadurch kann die Menge des in die Brennräume eingebringbaren Frischgases und damit auch die Menge des dort im Rahmen eines Betriebszyklus verbrennbaren Kraftstoffs gesteigert werden.Internal combustion engines, which are used to drive motor vehicles, are often charged to increase performance. For this purpose, the fresh gas supplied to the combustion chambers of an internal combustion engine of the internal combustion engine is compressed by means of a fresh gas compressor. As a result, the amount of fresh gas that can be introduced into the combustion chambers and thus also the amount of fuel that can be burned there within the scope of an operating cycle can be increased.
Weit verbreitet ist die Aufladung von Brennkraftmaschinen mittels Abgasturboladern, die neben einem Frischgasverdichter noch eine in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasturbine aufweisen. Die Abgasturbine wird mittels des diese durchströmenden Abgases angetrieben, wobei eine Rotation eine Laufrads der Turbine mittels einer Welle auf ein Laufrad des Verdichters übertragen wird.The charging of internal combustion engines by means of exhaust gas turbochargers, which, in addition to a fresh gas compressor, also has an exhaust gas turbine integrated into an exhaust line of the internal combustion engine, is widespread. The exhaust gas turbine is driven by means of the exhaust gas flowing through it, a rotation of an impeller of the turbine being transmitted to an impeller of the compressor by means of a shaft.
Ein wesentlicher Vorteil von Abgasturboladern liegt darin, dass die für die Verdichtung des Frischgases benötigte Energie aus dem Abgas gewonnen und somit hierfür - im Gegensatz zu ebenfalls verbreitet eingesetzten mechanischen Ladern - keine Nutzleistung des Verbrennungsmotor abgezweigt wird.A major advantage of exhaust gas turbochargers is that the energy required for compressing the fresh gas is obtained from the exhaust gas and therefore - in contrast to mechanical turbochargers that are also widely used - no useful power from the internal combustion engine is diverted.
Ein prinzipieller Nachteil von Abgasturboladern liegt jedoch darin, dass die Verdichtungsleistung direkt von dem Abgasmengenstrom abhängig ist. Bei einem nur relativ kleinen Abgasmengenstrom wird somit auch nur eine relativ geringe Verdichtungsleistung erzielt. Dies kann sich im Betrieb der Brennkraftmaschine in einem verzögerten Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors bemerkbar machen, wenn nach einem Betrieb mit geringer oder ohne Last und geringen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, insbesondere aus dem Leerlauf oder aus dem Schubbetrieb heraus, die Lastanforderung erhöht wird. Diese erhöhte Lastanforderung muss zunächst in einen entsprechend erhöhten Abgasmassenstrom umgesetzt werden, der dann erst zu einer erhöhten Verdichtungsleistung führt. Dieses verzögerte Ansprechen wird vielfach als „Turboloch“ oder auch mit dem englischen Begriff „Lag“ bezeichnet.A fundamental disadvantage of exhaust gas turbochargers, however, is that the compression output is directly dependent on the exhaust gas flow. With only a relatively small flow of exhaust gas, only a relatively low compression output is achieved. This can be noticeable in the operation of the internal combustion engine in a delayed response behavior of the internal combustion engine if the load requirement is increased after operation with little or no load and low speeds of the internal combustion engine, in particular from idling or overrun. This increased load requirement must first be converted into a correspondingly increased exhaust gas mass flow, which only then leads to an increased compression performance. This delayed response is often referred to as "turbo lag" or also with the English term "lag".
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, das Turboloch zu verringern. Beispielsweise kann die Abgasturbine des Abgasturboladers mit einer variablen Einlassgeometrie ausgebildet werden (sogenannter VTG-Abgasturbolader). Dabei weist die Abgasturbine verstellbare Leitschaufeln am Turbineneintritt auf, durch die der Strömungsquerschnitt veränderbar ist. Bei einem vergleichsweise geringen Abgasmengenstrom kann durch die Leitschaufeln der Strömungsquerschnitt verkleinert werden, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des in die Turbine strömenden Abgases erhöht wird.There are a variety of ways to reduce turbo lag. For example, the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger can be designed with a variable inlet geometry (so-called VTG exhaust gas turbocharger). The exhaust gas turbine has adjustable guide vanes at the turbine inlet, by means of which the flow cross section can be changed. In the case of a comparatively low flow of exhaust gas, the flow cross-section can be reduced by the guide vanes, as a result of which the flow velocity of the exhaust gas flowing into the turbine is increased.
Bekannt ist zudem, in Verzögerungsphasen eines Kraftfahrzeugs und damit während eines unbefeuerten Schubbetriebs des Verbrennungsmotors ein Absinken der Antriebsdrehzahl des Abgasturboladers zu verlangsamen, indem eine in den Frischgasstrang integrierte Drosselklappe möglichst weitgehend geöffnet wird, so dass eine möglichst geringe Drosselung des während des Schubbetriebs von dem Frischgasstrang über den Verbrennungsmotor in den Abgasstrang geführten Gasstroms, der in dem Abgasstrang dann die Abgasturbine antreibt, zu erreichen. Ein sich daraus ergebender Nachteil liegt darin, dass es zu einer Einlagerung von Sauerstoff in einem Abgaskatalysator, der in den Abgasstrang integriert ist, durch das diesen durchströmende Gas, bei dem es sich im Wesentlichen um über den Frischgasstrang angesaugte Luft handelt, kommt. Um möglichst geringe Schadstoffemissionen in einer sich an einen solchen Schubbetrieb anschließenden ersten Phase eines Lastbetriebs des Verbrennungsmotors zu erreichen, können solche Sauerstoffeinlagerungen in dem Abgaskatalysator einen zeitweisen Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem relativ fetten Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis bedingen. Dies führt einerseits zu einem verringerten Wirkungsgrad während eines solchen Betriebs des Verbrennungsmotors und kann zudem eine frühzeitige Alterung des Katalysators bewirken.It is also known to slow down a drop in the drive speed of the exhaust gas turbocharger in deceleration phases of a motor vehicle and thus during unfired overrun mode of the internal combustion engine by opening a throttle valve integrated in the fresh gas line as much as possible, so that the lowest possible throttling of the fresh gas line during overrun Via the internal combustion engine into the exhaust gas flow, which then drives the exhaust gas turbine in the exhaust gas flow. A resulting disadvantage is that there is an accumulation of oxygen in an exhaust gas catalytic converter which is integrated into the exhaust gas line, as a result of the gas flowing through it, which is essentially air drawn in via the fresh gas line. In order to achieve the lowest possible pollutant emissions in a first phase of a load operation of the internal combustion engine following such an overrun operation, such oxygen deposits in the catalytic converter can cause the internal combustion engine to operate temporarily with a relatively rich fuel-oxygen ratio. On the one hand, this leads to a reduced degree of efficiency during such operation of the internal combustion engine and can also cause the catalytic converter to age prematurely.
Die
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Möglichkeit aufzuzeigen, während eines unbefeuerten Schubbetriebs eines Verbrennungsmotors einer Brennkraftmaschine ein möglichst geringes beziehungsweise langsames Absinken der Antriebsdrehzahl eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine zu erreichen, um ein möglichst vorteilhaftes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors in einem sich an den Schubbetrieb anschließenden Lastbetrieb zu realisieren.The invention was based on the object of showing an advantageous possibility of achieving the lowest or slowest possible drop in the drive speed of an exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine during unfired overrun operation of an internal combustion engine of an internal combustion engine, in order to achieve the most advantageous possible response behavior of the internal combustion engine in a load operation following the overrun operation to realize.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is achieved by means of an internal combustion engine according to
Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die zumindest folgende Komponenten umfasst:
- - einen 4-Takt-Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum aufweist, in dem im Betrieb des Verbrennungsmotors ein Hubkolben zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) zyklisch bewegt wird und dem mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet sind. Als „4-Takt-Verbrennungsmotor“ wird dabei ein Verbrennungsmotor verstanden, der in einem befeuerten Lastbetrieb mit vier Takten beziehungsweise Kolbenhubbewegungen je Betriebszyklus (Arbeitsspiel) betrieben wird, wobei lediglich einer dieser Takte ein Arbeitstakt ist. Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann insbesondere zumindest zeitweise fremdgezündet und quantitätsgeregelt und folglich in der Art eines Ottomotors betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
- - einen Frischgasstrang, in den ein Frischgasverdichter eines Abgasturboladers sowie, stromab (bezüglich einer Strömungsrichtung durch den Frischgasstrang in Richtung des Verbrennungsmotors) des Frischgasverdichters, eine Drosselklappe integriert sind. Als „Drosselklappe“ wird dabei eine beliebige, vorzugsweise jedoch in Form eines Klappenventils ausgebildete Drosseleinrichtung verstanden, mittels der ein Massenstrom von über den Frischgasstrang strömendem Frischgas gezielt und aktiv einstellbar ist.
- - einen Abgasstrang, in den eine Abgasturbine des Abgasturboladers sowie, stromab (bezüglich einer Strömungsrichtung durch den Abgasstrang ausgehend von dem Verbrennungsmotor) der Abgasturbine, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert sind. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung kann dabei eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, insbesondere mindestens einen Abgaskatalysator (vorzugsweise ein 3-Wege-Katalysator) und einen Partikelfilter, umfassen.
- - A 4-stroke internal combustion engine which has at least one combustion chamber in which a reciprocating piston is cyclically moved between a top dead center (OT) and a bottom dead center (BDC) when the internal combustion engine is in operation and to which at least one inlet valve and at least one outlet valve are assigned . A “4-stroke internal combustion engine” is understood to mean an internal combustion engine that is operated in a fired load mode with four strokes or piston stroke movements per operating cycle (work cycle), with only one of these cycles being a working cycle. The internal combustion engine of an internal combustion engine according to the invention can in particular at least temporarily be externally ignited and quantity-controlled and consequently operated or be operable in the manner of an Otto engine.
- - A fresh gas line, in which a fresh gas compressor of an exhaust gas turbocharger and, downstream (with respect to a flow direction through the fresh gas line in the direction of the internal combustion engine) of the fresh gas compressor, a throttle valve are integrated. A “throttle flap” is understood to mean any throttle device, preferably in the form of a flap valve, by means of which a mass flow of fresh gas flowing through the fresh gas line can be set in a targeted and active manner.
- - An exhaust gas line, in which an exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger and, downstream (with respect to a flow direction through the exhaust gas line starting from the internal combustion engine) of the exhaust gas turbine, an exhaust gas aftertreatment device are integrated. The exhaust gas aftertreatment device can include one or more exhaust gas aftertreatment devices, in particular at least one exhaust gas catalytic converter (preferably a 3-way catalytic converter) and a particle filter.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist bedarfsweise mittels eines Abgasnachbehandlungsbypasses umgehbar, der zwischen der Abgasturbine und der Abgasnachbehandlungseinrichtung aus dem Abgasstrang abgeht.The exhaust gas aftertreatment device of an internal combustion engine according to the invention can, if necessary, be bypassed by means of an exhaust gas aftertreatment bypass which emerges from the exhaust system between the exhaust gas turbine and the exhaust gas aftertreatment device.
Für eine solche erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist einerseits vorgesehen, dass während eines unbefeuerten Schubbetriebs die Drosselklappe in eine zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig beziehungsweise weitestmöglich geöffnete Stellung gestellt ist. Ausgehend davon, dass dem unbefeuerten Schubbetrieb ein befeuerter Lastbetrieb des Verbrennungsmotors vorausgegangen ist, kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dementsprechend vorgesehen sein, dass bei einem Übergang von dem befeuerten Lastbetrieb zu dem unbefeuerten Schubbetrieb die Drosselklappe in eine zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig geöffnete Stellung gestellt wird (sofern sich diese nicht bereits in einer entsprechenden Stellung befindet). Diese erfindungsgemäße Maßnahme dient dazu, eine möglichst geringe Drosselung des während des unbefeuerten Schubbetriebs von dem Frischgasstrang über den mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors in den Abgasstrang überströmenden (Frisch-)Gases zu erreichen. Dies wirkt sich vorteilhaft hinsichtlich der angestrebten Verlangsamung des Abfalls der Antriebsdrehzahl des Abgasturboladers infolge eines Übergangs in den Schubbetrieb aus.For such an internal combustion engine according to the invention, it is provided, on the one hand, that the throttle valve is set in an at least partially and preferably completely or as far as possible open position during unfired overrun mode. Assuming that the unfired overrun operation was preceded by a fired load operation of the internal combustion engine, it can accordingly be provided in the context of a method according to the invention for operating an internal combustion engine according to the invention that the throttle valve is at least partially and preferably in a transition from the fired load operation to the unfired overrun operation fully open position is set (if this is not already in a corresponding position). This measure according to the invention serves to achieve the lowest possible throttling of the (fresh) gas flowing over into the exhaust system from the fresh gas line via the at least one combustion chamber of the internal combustion engine during unfired overrun mode. This has an advantageous effect with regard to the desired slowing down of the drop in the drive speed of the exhaust gas turbocharger as a result of a transition to overrun mode.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Durchströmung des Abgasnachbehandlungsbypasses freigegeben und vorzugsweise eine Durchströmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung vollständig unterbunden. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann folglich eine solche Durchströmung des Abgasnachbehandlungsbypasses bei einem Übergang von einem befeuerten Lastbetrieb zu dem unbefeuerten Schubbetrieb freigegeben und gegebenenfalls zusätzlich eine Durchströmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung blockiert werden. Durch diese Maßnahme wird eine Einlagerung von Sauerstoff in der Abgasnachbehandlungseinrichtung aus dem Gas, das aus dem Frischgasstrang über den Verbrennungsmotor in den Abgasstrang übergeströmt ist, vermieden. Eine Umgehung der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist dabei weitestgehend unproblematisch, weil es sich bei dem überströmenden Gas insbesondere um über den Frischgasstrang angesaugte Luft handelt, für die üblicherweise keine Schadstoffminderung mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung erforderlich ist.Furthermore, according to the invention, a flow through the exhaust gas aftertreatment bypass is enabled and preferably a flow through the exhaust gas aftertreatment device is completely prevented. As part of a method according to the invention, such a flow through the exhaust gas aftertreatment bypass can consequently be released during a transition from a fired load operation to the unfired overrun operation and, if necessary, a flow through the exhaust gas aftertreatment device can also be blocked. This measure enables storage of Oxygen in the exhaust gas aftertreatment device from the gas that has flowed over from the fresh gas line via the internal combustion engine into the exhaust line is avoided. Bypassing the exhaust gas aftertreatment device is largely unproblematic because the overflowing gas is, in particular, air drawn in via the fresh gas line, for which no pollutant reduction by means of the exhaust gas aftertreatment device is usually required.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Einlassventil in jedem zwischen einem OT und dem darauffolgenden UT liegenden Kolbenhubbereich (zumindest zeitweise) geöffnet ist und das Auslassventil in jedem zwischen einem UT und dem darauffolgenden OT liegenden Kolbenhubbereich (zumindest zeitweise) geöffnet ist. Die Einlass- und Auslassventile einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können in dem unbefeuerten Schubbetrieb demnach derart geöffnet werden, wie dies für einen Zweitaktmotor üblich ist. Bei einem Übergang von einem befeuerten Lastbetrieb zu dem unbefeuerten Schubbetrieb kann demnach im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens von einer Betätigung der Einlass- und Auslassventile gemäß einem Viertaktbetrieb zu einer Betätigung gemäß einem Zweitaktbetrieb gewechselt werden. Folglich kann eine Betätigung des Einlassventils von einem Öffnen, das während des befeuerten Betriebs lediglich in dem zwischen dem LWOT (Oberer Totpunkt, der während eines Ladungswechsels in dem Brennraum erreicht wird) und dem darauffolgenden UT liegenden Kolbenhubbereich erfolgt, zu dem erfindungsgemäß für den unbefeuerten Schubbetrieb vorgesehenen Öffnen in jedem zwischen einem OT und dem darauffolgenden UT liegenden Kolbenhubbereich verstellt werden. Ebenso kann eine Betätigung des Auslassventils von einem Öffnen, das während des befeuerten Betriebs lediglich in dem zwischen dem LWOT und dem vorausgehenden UT liegenden Kolbenhubbereich erfolgt, zu dem erfindungsgemäß für den unbefeuerten Schubbetrieb vorgesehenen Öffnen in jedem zwischen dem UT und dem darauffolgenden OT liegenden Kolbenhubbereich verstellt werden. Dieses Vorgehen dient einerseits dazu, einen während des unbefeuerten Schubbetriebs möglichst großen Gasstrom über den Verbrennungsmotor zu führen, da eine Brennraumfüllung des Gases bereits bei jeder zweiten Kolbenhubbewegung durch den Verbrennungsmotor geschleust wird. Im Vergleich zu den Ventilöffnungen, wie sie für einen vergleichbaren befeuerten Viertakt-Lastbetrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine oder aber auch für einen vergleichbaren unbefeuerten Schubbetrieb einer konventionellen Brennkraftmaschine vorgesehen wären, kann durch diese Maßnahme in etwa der doppelte Gasmassenstrom durch den Verbrennungsmotor geschleust werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß für einen unbefeuerten Schubbetrieb vorgesehenen Ventilbetätigungen liegt darin, dass ausgeprägte Kompressionsphasen und damit relativ hohe Brennraumspitzendrücke vermieden werden. Dadurch kann die Erzeugung von Entlüftungs- beziehungsweise Blowby-Gasströmungen, d.h. von Gasströmungen , die über den nicht perfekt abgedichteten Spalt, der zwischen dem Kolben und der Zylinderwand des Brennraums ausgebildet ist, in ein Innenvolumen und insbesondere in ein den Kolbentrieb (Pleuel und Kurbelwelle) aufnehmendes Innenvolumen des Verbrennungsmotors strömen, minimiert werden. Derartige Entlüftungsgasströmungen werden üblicherweise und so auch vorzugsweise bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine über eine Gehäuseentlüftungsleitung in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine zurückgeführt, um diese erneut dem mindestens einen Brennraum zuzuführen. Dadurch soll vermieden werden, dass in den Entlüftungsgasen enthaltene Bestandteile, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, in die Umgebungsluft gelangen oder diese bei einer Einleitung in den Abgasstrang die darin integrierten Komponenten, wie insbesondere eine/die Abgasturbine und eine/die Abgasnachbehandlungseinrichtung, negativ beeinflussen. Eine Minimierung solcher Entlüftungsgasströmungen ist bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine beziehungsweise bei einem entsprechenden Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine von besonderer Bedeutung, weil durch die ebenfalls vorgesehene Umgehung der Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels des in dem unbefeuerten Schubbetrieb freigegebenen Abgasnachbehandlungsbypasses in Kombination mit der nicht erfolgenden Befeuerung des mindestens einen Brennraums Substanzen, insbesondere die Kohlenwasserstoffe, die in den Entlüftungsgasen enthalten sind, in die Umgebungsluft gelangen könnten.According to the invention it is further provided that the inlet valve is open (at least temporarily) in each piston stroke area between a TDC and the following BDC and the outlet valve is open (at least temporarily) in each piston stroke area between a BDC and the following TDC. The inlet and outlet valves of an internal combustion engine according to the invention can accordingly be opened in unfired overrun mode, as is customary for a two-stroke engine. In the case of a transition from fired load operation to unfired overrun operation, it is accordingly possible, within the scope of a method according to the invention, to switch from actuation of the inlet and outlet valves according to four-stroke operation to actuation according to two-stroke operation. As a result, the inlet valve can be actuated from an opening that occurs during fired operation only in the piston stroke range between the LWOT (top dead center, which is reached during a gas exchange in the combustion chamber) and the subsequent UT, to the piston stroke range according to the invention for unfired overrun operation intended opening can be adjusted in each piston stroke range between a TDC and the following BDC. An actuation of the exhaust valve can also be adjusted from an opening that occurs during fired operation only in the piston stroke range between the LWOT and the preceding BDC to the opening provided according to the invention for the unfired overrun operation in each piston stroke area between BDC and the following TDC become. This procedure serves on the one hand to guide the largest possible gas flow over the internal combustion engine during unfired overrun operation, since a combustion chamber filling of the gas is already passed through the internal combustion engine with every second piston stroke movement. Compared to the valve openings, as they would be provided for a comparable fired four-stroke load operation of an internal combustion engine according to the invention or for a comparable unfired overrun operation of a conventional internal combustion engine, this measure allows roughly double the gas mass flow to be passed through the internal combustion engine. Another advantage of the valve actuations provided according to the invention for unfired overrun operation is that pronounced compression phases and thus relatively high combustion chamber peak pressures are avoided. As a result, the generation of venting or blowby gas flows, that is to say of gas flows that flow through the imperfectly sealed gap that is formed between the piston and the cylinder wall of the combustion chamber, into an internal volume and, in particular, into the piston drive (connecting rod and crankshaft) Flow absorbing internal volume of the internal combustion engine, are minimized. Such vent gas flows are usually, and thus also preferably in an internal combustion engine according to the invention, returned to the fresh gas line of the internal combustion engine via a housing ventilation line in order to feed them back to the at least one combustion chamber. This is to prevent components contained in the ventilation gases, in particular unburned hydrocarbons, from getting into the ambient air or from adversely affecting the components integrated therein, in particular an exhaust gas turbine and an exhaust gas aftertreatment device, when introduced into the exhaust system. A minimization of such vent gas flows is of particular importance in an internal combustion engine according to the invention or in a corresponding method for operating such an internal combustion engine, because bypassing the exhaust gas aftertreatment device by means of the exhaust gas aftertreatment bypass released in the unfired overrun mode in combination with the failure to fire the at least one combustion chamber, is also provided Substances, especially the hydrocarbons contained in the venting gases, could get into the ambient air.
Vorteilhafterweise kann für ein Umschaltung zwischen den verschiedenen Ventilbetätigungsarten eine Schaltvorrichtung eines Ventiltriebs der Brennkraftmaschine genutzt werden, die mindestens zwei Schaltstellungen aufweist, die sich hinsichtlich der durch den Ventiltrieb bewirkten Ventilbetätigung unterscheiden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Ventiltrieb eine oder mehrere, zur direkten oder indirekten Betätigung des oder der entsprechenden Einlass- und/oder Auslassventile vorgesehene Nockenwellen umfasst und die Schaltvorrichtung jeweils einen hinsichtlich des Übersetzungsverhältnisses schaltbaren Schlepphebel aufweist, der eine Auslenkung durch einen Nocken der Nockenwelle(n) (in unterschiedlichem Ausmaß) auf ein zugeordnetes Einlass- oder Auslassventil überträgt. Ergänzend oder alternativ kann die Schaltvorrichtung auch unterschiedliche Nocken der Nockenwelle(n) umfassen, wobei jeweils unterschiedliche Nocken alternativ in Wirkverbindung mit den Einlass- und Auslassventilen bringbar sind. Auch kann ein vollvariabler Ventiltrieb mit je einer den Einlass- und/oder Auslassventilen zugeordneter Betätigungsvorrichtung zum Einsatz kommen.A switching device of a valve drive of the internal combustion engine which has at least two switching positions that differ with regard to the valve actuation effected by the valve drive can advantageously be used for switching between the different types of valve actuation. For example, it can be provided that the valve drive comprises one or more camshafts provided for direct or indirect actuation of the corresponding intake and / or exhaust valve and the switching device has a rocker arm that can be switched with regard to the transmission ratio and that is deflected by a cam of the camshaft (n) transmits (to varying degrees) to an associated inlet or outlet valve. In addition or as an alternative, the switching device can also comprise different cams of the camshaft (s), with different cams alternatively being able to be brought into operative connection with the inlet and outlet valves. Can also be a fully variable Valve drive each with an actuating device assigned to the inlet and / or outlet valves are used.
Im Ergebnis umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine beziehungsweise ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine Maßnahmen, die während des unbefeuerten Schubbetriebs den Massenstrom an Gas, der aus dem Frischgasstrang über den Verbrennungsmotor in den Abgasstrang überströmt und damit durch die Abgasturbine strömt, maximieren, wodurch ein Abfallen der Antriebsdrehzahl des Abgasturboladers vermieden oder zumindest möglichst verlangsamt wird. Gleichzeitig wird dadurch, dass die in den Abgasstrang überströmende Gasströmung über den Abgasnachbehandlungsbypass geführt und damit zumindest teilweise an der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorbeigeführt wird, eine Einlagerung von Sauerstoff in der Abgasnachbehandlungseinrichtung teilweise oder vollständig vermieden. Hinzu kommt, dass durch die erfindungsgemäßen Steuerzeiten für die Einlass- und Auslassventile des Verbrennungsmotors eine Erzeugung von Entlüftungsgasströmungen minimiert wird, so dass eine Umgehung der Abgasnachbehandlungseinrichtung während des unbefeuerten Schubbetriebs auch hinsichtlich der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine unkritisch sein kann.As a result, an internal combustion engine according to the invention or a corresponding method for operating such an internal combustion engine comprises measures which, during unfired overrun operation, maximize the mass flow of gas that flows from the fresh gas line via the internal combustion engine into the exhaust line and thus flows through the exhaust gas turbine, thereby causing waste the drive speed of the exhaust gas turbocharger is avoided or at least slowed down as far as possible. At the same time, the fact that the gas flow overflowing into the exhaust system is guided via the exhaust gas aftertreatment bypass and thus at least partially bypassed the exhaust aftertreatment device partially or completely prevents oxygen from being stored in the exhaust gas aftertreatment device. In addition, the control times according to the invention for the intake and exhaust valves of the internal combustion engine minimize the generation of vent gas flows, so that bypassing the exhaust gas aftertreatment device during unfired overrun operation can also be uncritical with regard to the pollutant emissions of the internal combustion engine.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass während des unbefeuerten Schubbetriebs
- - das Einlassventil bei einem Kurbelwellenwinkel, der zwischen OT-10°KW und OT+10°KW, insbesondere im OT, liegt öffnet und/oder bei einem Kurbelwellenwinkel, der zwischen UT-30°KW und UT, insbesondere bei UT-10°KW, liegt schließt und/oder
- - das Auslassventil bei einem Kurbelwellenwinkel, der zwischen UT-15°KW und UT +5°KW , insbesondere bei UT-5°KW, liegt, öffnet und/oder bei einem Kurbelwellenwinkel, der zwischen OT und OT+20°KW, insbesondere bei OT+10°KW, liegt schließt.
- - The inlet valve opens at a crankshaft angle that is between TDC-10 ° CA and TDC + 10 ° CA, in particular at TDC, and / or at a crankshaft angle that is between BDC-30 ° CA and UT, in particular at BDC-10 ° KW, lies closes and / or
- - The exhaust valve opens at a crankshaft angle that is between UT-15 ° CA and UT + 5 ° CA, in particular at UT-5 ° CA, and / or at a crankshaft angle that is between TDC and TDC + 20 ° CA, in particular at OT + 10 ° CA, it closes.
Diese Steuerzeiten haben sich als vorteilhaft hinsichtlich der angestrebten Ziele, d.h. einer Maximierung des durch den Verbrennungsmotor geschleusten Gasmassenstroms sowie einer Minimierung der Entlüftungsgasströmungen, gezeigt. Die Angaben dieser Steuerzeiten beziehen sich dabei auf eine Hubschwelle von 1 mm, ab der von einer wirksamen Öffnung der Einlass- und Auslassventile ausgegangen werden kann.These control times have proven to be advantageous with regard to the desired goals, i.e. a maximization of the gas mass flow passed through the internal combustion engine and a minimization of the vent gas flows. The details of these control times relate to a stroke threshold of 1 mm, from which it can be assumed that the inlet and outlet valves will open effectively.
Die während des unbefeuerten Schubbetriebs des Verbrennungsmotors vorgesehene Betätigung des Einlassventils und des Auslassventils kann sich nicht nur dahingehend von derjenigen während eines befeuerten Lastbetriebs unterscheiden, dass eine Betätigung gemäß einem Zweitaktbetrieb anstelle von gemäß einem Viertaktbetrieb vorgesehen ist. Vielmehr kann auch eine Veränderung beziehungsweise Verschiebung der jeweiligen Steuerzeiten vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei einem Übergang von einem befeuerten Lastbetrieb des Verbrennungsmotors zu dem unbefeuerten Schubbetrieb die Öffnungs- und/oder Schließzeit des Einlassventils in dem nach dem LWOT liegenden Kolbenhubbereich und/oder des Auslassventils in dem vor dem LWOT liegenden Kolbenhubbereich nach spät, insbesondere um einen Wert zwischen 10°KW und 30°KW nach spät verstellt wird. Auch dies kann einer Maximierung des durch den Verbrennungsmotor geschleusten Gasmassenstroms dienen.The actuation of the intake valve and the exhaust valve provided during unfired overrun operation of the internal combustion engine can not only differ from that during a fired load operation in that an actuation is provided in accordance with a two-stroke operation instead of in accordance with a four-stroke operation. Rather, a change or shift in the respective control times can also be provided. In particular, it can be provided that during a transition from a fired load operation of the internal combustion engine to the unfired overrun operation, the opening and / or closing time of the inlet valve in the piston stroke area after the LWOT and / or of the exhaust valve in the piston stroke area before the LWOT is late, in particular is adjusted late by a value between 10 ° CA and 30 ° CA. This can also serve to maximize the gas mass flow passed through the internal combustion engine.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Abgasturbine eine VTG-Stellvorrichtung, d.h. eine Stellvorrichtung zur Veränderung einer variablen Einlassgeometrie der Abgasturbine, umfasst, wobei während des unbefeuerten Schubbetriebs die VTG-Stellvorrichtung in eine zumindest teilweise und vorzugsweise weitestmöglich geschlossene Stellung gestellt ist, so dass ein Laufrad der Abgasturbine über einen entsprechend kleinen Strömungsquerschnitt und damit mit einer relativ großen Strömungsgeschwindigkeit des Gases angeströmt wird. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach vorgesehen sein, dass bei einem Übergang von einem befeuerten Lastbetrieb des Verbrennungsmotors zu dem unbefeuerten Schubbetrieb die VTG-Stellvorrichtung in eine zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig geschlossene Stellung gestellt wird (sofern sich diese nicht bereits in einer entsprechenden Stellung befindet). Die variable Einlassgeometrie der Abgasturbine wird folglich während des unbefeuerten Schubbetriebs erfindungsgemäß in eine Stellung gestellt, in der diese hinsichtlich der Erzeugung einer möglichst großen Antriebsleistung für den Frischgasverdichter bei einer relativ kleinen, die Abgasturbine durchströmenden Gasströmung ausgelegt ist.According to a further preferred embodiment of an internal combustion engine according to the invention, it can be provided that the exhaust gas turbine comprises a VTG adjusting device, ie an adjusting device for changing a variable inlet geometry of the exhaust gas turbine, with the VTG adjusting device being at least partially and preferably as closed as possible during unfired overrun mode Position is set so that an impeller of the exhaust gas turbine is flowed against over a correspondingly small flow cross-section and thus with a relatively high flow rate of the gas. In the context of a method according to the invention, it can accordingly be provided that at a transition from a fired load operation of the internal combustion engine to the unfired overrun operation, the VTG adjusting device is placed in an at least partially and preferably fully closed position (if this is not already in a corresponding position). The variable inlet geometry of the exhaust gas turbine is consequently set during unfired overrun operation according to the invention in a position in which it is designed to generate the greatest possible drive power for the fresh gas compressor with a relatively small gas flow flowing through the exhaust gas turbine.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Abgasturbine bedarfsweise mittels eines Wastegates, d.h. mittels eines ein Bypassventil umfassenden Turbinenbypasses, umgehbar ist, wobei während des unbefeuerten Schubbetriebs das Wastegate zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig geschlossen ist, so dass folglich nur ein geringer Anteil einer Gasströmung oder vorzugsweise möglichst keine Gasströmung an der Abgasturbine beziehungsweise dem Laufrad davon wobei geleitet wird. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach vorgesehen sein, dass bei einem Übergang von einem befeuerten Lastbetrieb des Verbrennungsmotors zu dem unbefeuerten Schubbetrieb das Wastegate zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig geschlossen wird (sofern sich dieses nicht bereits in einer entsprechenden Stellung befindet). Auch diese Maßnahme dient dazu, einen möglichst großen Anteil der Enthalpie des den Abgasstrang durchströmenden Gases zu Erzeugung einer Antriebsleistung durch die Abgasturbine zu nutzen.Furthermore, it can preferably be provided that the exhaust gas turbine can, if necessary, be bypassed by means of a wastegate, ie by means of a turbine bypass comprising a bypass valve, the wastegate being at least partially and preferably completely closed during unfired overrun operation, so that consequently only a small proportion of a gas flow or preferably as little gas flow as possible at the exhaust gas turbine or the impeller thereof, which is conducted. In the context of a method according to the invention, provision can accordingly be made for the wastegate to be at least partially and preferably completely closed when there is a transition from a fired load operation of the internal combustion engine to unfired overrun operation (if it is not already in a corresponding position). This measure also serves to use as large a proportion as possible of the enthalpy of the gas flowing through the exhaust line to generate a drive power through the exhaust gas turbine.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass während des unbefeuerten Schubbetriebs ein Gehäuseinnenvolumen des Verbrennungsmotors über eine Gehäuseentlüftungsleitung mit einem Kraftstoffdampffilter eines Kraftstofftanksystems der Brennkraftmaschine in fluidleitender Verbindung steht. Dies dient dazu, während des unbefeuerten Schubbetriebs möglicherweise noch auftretende Entlüftungsgasströmungen über den Kraftstoffdampffilter zu führen, um darin enthaltene Substanzen, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, aus den Entlüftungsgasströmungen herauszufiltern. Die so gefilterten Entlüftungsgasströmungen können dann über eine Spülgasleitung des Kraftstofftanksystems in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden. Eine Emission von aus Entlüftungsgasströmungen stammenden Kohlenwasserstoffen während des unbefeuerten Schubbetriebs infolge eines Überströmens von Frischgas mit (einer geringen Menge) von darin enthaltenem Entlüftungsgas aus dem Frischgasstrang über den Verbrennungsmotor in den Abgasstrang und über diesen unter Verwendung des Abgasnachbehandlungsbypasses in die Umgebung kann auf diese Weise sicher und quasi vollständig vermieden werden. Während eines befeuerten Lastbetriebs kann dagegen vorzugsweise kein Führen von Blowby- Gasströmungen über den Kraftstoffdampffilter vorgesehen sein, weil darin enthaltene Kohlenwasserstoffe infolge einer Verbrennung in den Brennräumen sowie einer nicht vorgesehenen Umgehung der Abgasnachbehandlungseinrichtung problemlos in das Frischgas eingeleitet werden können. Ein Herausfiltern solcher Kohlenwasserstoffe mittels des Kraftstoffdampffilters, was dessen früher anfallende Regenerierung erforderlich machen könnte, kann demnach während eines befeuerten Lastbetriebs des Verbrennungsmotors nicht vorgesehen sein. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach vorgesehen sein, dass bei einem Übergang von einem befeuerten Lastbetrieb des Verbrennungsmotors zu dem unbefeuerten Schubbetrieb ein direktes Einleiten von Entlüftungsgas über die Gehäuse-Entlüftungsleitung in den Frischgasstrang verringert oder beendet wird und stattdessen Entlüftungsgas zu dem Kraftstoffdampffilter geführt wird.According to a further preferred embodiment of an internal combustion engine according to the invention, it can be provided that an internal housing volume of the internal combustion engine is in fluid communication with a fuel vapor filter of a fuel tank system of the internal combustion engine via a housing ventilation line during unfired overrun mode. This serves to guide vent gas flows that may still occur during unfired overrun operation over the fuel vapor filter in order to filter out substances contained therein, in particular unburned hydrocarbons, from the vent gas flows. The vent gas flows filtered in this way can then be returned to the fresh gas line of the internal combustion engine via a purge gas line of the fuel tank system. An emission of hydrocarbons originating from venting gas flows during unfired overrun operation as a result of an overflow of fresh gas with (a small amount) of venting gas contained therein from the fresh gas line via the internal combustion engine into the exhaust line and via this using the exhaust gas aftertreatment bypass into the environment can be safe in this way and almost completely avoided. During a fired load operation, on the other hand, blow-by gas flows can preferably not be passed through the fuel vapor filter because hydrocarbons contained therein can be introduced into the fresh gas without any problems due to combustion in the combustion chambers and an unintended bypassing of the exhaust gas aftertreatment device. A filtering out of such hydrocarbons by means of the fuel vapor filter, which could necessitate its earlier regeneration, can therefore not be provided during a fired load operation of the internal combustion engine. In the context of a method according to the invention, it can therefore be provided that when there is a transition from a fired load operation of the internal combustion engine to unfired overrun operation, a direct introduction of vent gas into the fresh gas line via the housing vent line is reduced or terminated and vent gas is instead fed to the fuel vapor filter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:
-
1 : eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform; -
2 : eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; -
3 : die Ventilerhebungskurven beziehungsweise die Verläufe der Ventilbewegungen h der Einlassventile (dicke Linienführung) und der Auslassventile (dünne Linienführung) einerseits während eines befeuerten Lastbetriebs (durchgehende Linienführung) und andererseits während eines unbefeuerten Schubbetriebs (gestrichelte Linienführung) einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß beispielsweiseden 1 und 2 .
-
1 : an internal combustion engine according to the invention according to a first embodiment; -
2 : an internal combustion engine according to the invention according to a second embodiment; -
3 : the valve lift curves or the progression of the valve movements h of the inlet valves (thick lines) and the exhaust valves (thin lines) on the one hand during a fired load operation (continuous lines) and on the other hand during unfired overrun operation (dashed lines) of an internal combustion engine according to the invention according to, for example1 and2 .
Die
Jedem der Brennräume
Während eines befeuerten Lastbetriebs des Verbrennungsmotors
Die Einlassventile
Während des befeuerten Lastbetriebs des Verbrennungsmotors
Bei einem unbefeuerten Schubbetriebs des Verbrennungsmotors
Die Minimierung solcher Entlüftungsgasströmungen während des unbefeuerten Schubbetriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann insbesondere deshalb vorteilhaft sein, weil bei einer solchen während des unbefeuerten Schubbetriebs weiterhin vorgesehen ist, dass das aus dem Frischgasstrang
Alternativ zu der kombinierten Verwendung des Bypassventils
Im Wesentlichen vollständig verhindern lässt sich ein Emittieren von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in die Umgebung bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wie sie in der
Dieser Kraftstoffdampffilter
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 33
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 44th
- ZylindernCylinders
- 55
- HubkolbenReciprocating piston
- 66th
- BrennraumCombustion chamber
- 77th
- FrischgasstrangFresh gas line
- 88th
- LuftfilterAir filter
- 99
- FrischgasverdichterFresh gas compressor
- 1010
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1111
- Drosselklappethrottle
- 1212th
- AbgasturbineExhaust gas turbine
- 1313th
- AbgasstrangExhaust system
- 1414th
- AbgasnachbehandlungseinrichtungExhaust aftertreatment device
- 1515th
- AbgaskatalysatorCatalytic converter
- 1616
- PartikelfilterParticle filter
- 1717th
- AbgasnachbehandlungsbypassExhaust aftertreatment bypass
- 1818th
- BypassventilBypass valve
- 1919th
- AbgasventilExhaust valve
- 2020th
- EinlassventilInlet valve
- 2121
- Auslassventiloutlet valve
- 2222nd
- VentilbetätigungsvorrichtungValve actuation device
- 2323
- Nockenwellecamshaft
- 2424
- KraftstoffinjektorFuel injector
- 2525th
- GehäuseentlüftungsleitungHousing vent line
- 2626th
- EntlüftungsventilVent valve
- 2727
- KraftstoffdampffilterFuel vapor filter
- 2828
- TankentlüftungsleitungTank ventilation line
- 2929
- KraftstofftankFuel tank
- 3030th
- SpülgasleitungPurge gas line
- 3131
- UmgebungsmündungSurrounding mouth
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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