DE102022212010A1

DE102022212010A1 - Schubbetrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102022212010A1
Application number: DE102022212010.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Biener
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), der mindestens einen Brennraum (9) ausbildet, dem mindestens ein Einlassventil (12a) zugeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (12a) während eines Schubbetriebs des Verbrennungsmotors (1) später als 270°KW nach LW-OT geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und konkret einen Schubbetrieb des Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft auch einen entsprechend eingerichteten Verbrennungsmotor.
Ein Schubbetrieb eines Verbrennungsmotors ist ein Betrieb, in dem dieser eine negative Antriebsleistung beziehungsweise eine Bremsleistung erzeugt. Der Schubbetrieb kann dabei insbesondere daraus resultieren, dass ein sich bewegendes Kraftfahrzeug, für dessen Antrieb der Verbrennungsmotor grundsätzlich vorgesehen ist, unter Nutzung seiner kinetischen Energie den Verbrennungsmotor antreibt, indem der zwischen dem Verbrennungsmotor und den angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeugs liegende Abschnitt des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs nicht unterbrochen ist. Der dann üblicherweise unbefeuerte Verbrennungsmotor wird so durch das sich bewegende Kraftfahrzeug mitgeschleppt, wobei dieser und die mit diesem gekoppelten Komponenten, insbesondere der Generator, die negative Antriebsleistung beziehungsweise die Bremsleistung erzeugen.
Üblicherweise werden die Gaswechselventile, d.h. die Einlass- und Auslassventile, mittels denen ein Gaswechsel in den Brennräumen des Verbrennungsmotors gesteuert wird, während eines Schubbetriebs in der gleichen Art und Weise betätigt, wie dies für einen befeuerten Leistungsbetrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Dies führt dazu, dass während des Schubbetriebs Frischgas in relevanter Menge aus einem Frischgasstrang über die Brennräume in einen Abgasstrang einer den Verbrennungsmotor umfassenden Brennkraftmaschine überführt wird, wobei dieses Frischgas infolge des unbefeuerten Betriebs des Verbrennungsmotors im Wesentlichen relativ kalte Luft ist. Diese Luft kann einerseits zu einem ungewollten Abkühlen von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, die in den Abgasstrang integriert sind, und zudem zu einer „Vergiftung“ einer oder mehrerer dieser Abgasnachbehandlungsvorrichtungen durch den in der Luft enthaltenen Sauerstoff führen.
Um den Mengenstrom des während eines Schubbetriebs über den Verbrennungsmotor in den Abgasstrang überführten Frischgases möglichst gering zu halten, ist üblicherweise vorgesehen, eine in den Frischgasstrang integrierte Drosselklappe weitestmöglich zu schließen. Vollständig verhindern lässt sich ein Überführen von Frischgas dadurch jedoch üblicherweise nicht.
Um die angesprochenen Nachteile, die mit einem Überführen von Frischgas in den Abgasstrang verbunden sind, zu vermeiden oder zumindest gering zu halten, kann vorgesehen sein, die Brennräume des Verbrennungsmotors auch während des Schubbetriebs zu befeuern, indem relativ geringe Mengen an Kraftstoff mit dem Sauerstoff des trotz geschlossener Drosselklappe noch aus dem Frischgasstrang in die Brennräume eingebrachten Frischgases zu verbrennen, wodurch einerseits der Sauerstoff umgewandelt und andererseits das anschließend in den Abgasstrang überströmende Abgas eine relativ hohe Temperatur aufweisen kann. Dabei ist die positive Leistungserzeugung durch die Verbrennung des Kraftstoffs so gering, dass weiterhin eine weitgehend negative Leistungserzeugung des geschleppten Verbrennungsmotors und damit ein Schubbetrieb vorliegt. Nachteilig an diesem Vorgehen ist der Verbrauch an Kraftstoff und damit entsprechende CO₂-Emissionen, sowie ggf. auch die Verringerung der negativen Antriebsleistung, wodurch beispielsweise eine Regeneration dieser Antriebsleistung mittels eines Generators verringert werden kann.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung eines Überströmens von Frischgas während eines Schubbetriebs eines Verbrennungsmotors ist in der DE 10 2021 102 364 A1 offenbart. Demnach kann vorgesehen sein, die Auslassventile des Verbrennungsmotors während des Schubbetriebs zu deaktivieren und damit geschlossen zu halten, so dass ein Ausstoßen von Abgas beziehungsweise Frischgas aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors verhindert wird. Diese Vorgehensweise bedingt jedoch einen entsprechend variablen Ventiltrieb für die Auslassventile des Verbrennungsmotors.
Die DE 10 2016 209 957 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, der sowohl in einem Vollbetriebszustand, in dem sämtliche der mehreren Brennräume befeuert werden, und in einem Teilbetriebszustand, in dem nur ein Teil der Brennräume befeuert wird, betreibbar ist. Für ein Umschalten von dem Vollbetriebszustand in den Teilbetriebszustand wird von einer Verwendung eines ersten Einlassnockens zu der Verwendung eines zweiten Einlassnockens für die Betätigung derjenigen Einlassventile, die den auch im Teilbetriebszustand befeuerten Brennräumen zugeordnet sind, umgeschaltet.
Ein variabler Ventiltrieb, mittels dessen mehrere Nocken, die einzelnen Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors zugeordnet sind, wahlweise mit den Gaswechselventilen in Wirkverbindung gebracht werden können, ist in der DE 10 2007 057 811 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, ein Überströmen von Frischgas von einem Frischgasstrang in einen Abgasstrang während eines Schubbetriebs eines Verbrennungsmotors zu vermeiden oder zumindest relativ gering zu halten, sofern ein Deaktivieren von Auslassventilen des Verbrennungsmotors nicht umgesetzt werden kann oder soll.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeigneter Verbrennungsmotor ist Gegenstand des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und bevorzugte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines (erfindungsgemäßen) Verbrennungsmotors in Form eines Viertakt-Hubkolbenmotors vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Brennraum ausbildet, dem mindestens ein Einlassventil zugeordnet ist. Während eines Schubbetriebs des Verbrennungsmotors wird dieses mindestens eine Einlassventil mittels eines entsprechend eingerichteten Ventiltriebs später als 270°KW nach LW-OT, vorzugsweise später als 300°KW nach LW-OT, besonders bevorzugt später als 330°KW nach LW-OT oder später als 360°KW nach LW-OT geschlossen (bezieht sich auf das Schließende). Dabei ist vorzugsweise ein Schließen innerhalb von 30°KW ab der genannten frühesten Steuerzeit vorgesehen.
LW-OT ist der obere Totpunkt (OT) einer zyklischen Bewegung eines Kolbens, der beweglich in einer Zylinderöffnung des Verbrennungsmotors geführt ist, wobei dieser OT zwischen einem Öffnen mindestens eines Auslassventils des Verbrennungsmotors, das dem mindestens einen Brennraum zugeordnet ist, und einem Öffnen des mindestens einen Einlassventils gelegen ist. Das Öffnen des mindestens einen Auslassventils dient dabei einem Abführen von Abgas aus dem Brennraum in einen Abgasstrang einer auch den Verbrennungsmotor umfassenden Brennkraftmaschine. Das Öffnen des mindestens einen Einlassventils dient dagegen einem Zuführen von Frischgas in den Brennraum aus einem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine. Der LW-OT liegt demnach zeitlich und funktional im Bereich eines Ladungswechsels (LW) eines Betriebszyklus des Verbrennungsmotors.
Aufgrund der Ausgestaltung des Verbrennungsmotors als Viertakt-Hubkolbenmotor umfasst ein Betriebszyklus des Verbrennungsmotors vier Hubbewegungen des Kolbens des mindestens einen Brennraums, die zu zwei Umdrehungen einer Abtriebswelle (Kurbelwelle) des Verbrennungsmotors, die mit dem (jeweiligen) Kolben jedes Brennraums antriebsverbundenen ist, führt. Die vier Hubbewegungen des Kolbens sind eine Ansaughubbewegung (entsprechend einem Ansaugtakt), die ausgehend von dem LW-OT bis zu dem sich anschließenden ersten unteren Totpunkt (UT) der jeweiligen Hubbewegung reicht, eine Verdichtungshubbewegung (entsprechend einem Verdichtungstakt) ausgehend von dem ersten UT und bis zum Erreichen eines zweiten OT, eine Arbeitshubbewegung (entsprechend einem Arbeitstakt) ausgehend von dem zweiten OT bis zu einem zweiten UT und eine Ausstoßhubbewegung (entsprechend einem Ausstoßtakt) ausgehend von dem zweiten UT bis zu einem erneuten LW-OT. Die Benennung der Hubbewegungen und der Takte orientieren sich dabei an der Wirkung/Funktion während eines befeuerten Leistungsbetriebs, werden jedoch erfindungsgemäß auch für den Schubbetrieb des Verbrennungsmotors verwendet.
Die Angabe °KW bezieht sich auf den Drehwinkel der Abtriebswelle (Kurbelwelle) des Verbrennungsmotors, die mit dem mindestens einen Kolben antriebsverbundenen ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das mindestens eine Einlassventil, das dem mindestens einen Brennraum zugeordnet ist, erst in der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts und insbesondere kurz vor oder sogar erst nach dem zweiten OT zu schließen, wodurch Frischgas, das während des Verdichtungstakts aufgrund des dabei geöffneten Einlassventils in den Brennraum eingebracht wurde, wieder vollständig oder zumindest größtenteils durch das noch oder wieder geöffnete Einlassventil aus dem Brennraum in den Frischgasstrang ausgestoßen werden kann. Demnach liegt in dem Brennraum in dem sich an den Verdichtungstakt anschließenden Arbeitstakt im Wesentlichen kein oder eine nur relativ geringe Menge an Frischgas in dem Brennraum vor, so dass dementsprechend auch kein oder nur eine relativ geringe Menge an Frischgas in dem sich an den Arbeitstakt anschließenden Ausstoßtakt aufgrund des dann geöffneten Auslassventils in den Abgasstrang ausgestoßen werden kann. Dementsprechend sollte erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mindestens ein Auslassventil, das dem Brennraum zugeordnet ist, während des Schubbetriebs erst dann geöffnet wird, nachdem das Einlassventil geschlossen wurde. Erfindungsgemäß kann folglich ein Überführen von Frischgas in einer relevanten Menge aus dem Frischgasstrang in den Abgasstrang während des Schubbetriebs des Verbrennungsmotors vermieden werden.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, das mindestens eine Einlassventil des mindestens einen Brennraums während des Schubbetriebs vollständig zu deaktivieren beziehungsweise geschlossen zu halten, wodurch ebenfalls ein Überführen von Frischgas aus dem Frischgasstrang in den Abgasstrang vermieden werden kann. Dies kann jedoch mit dem Nachteil verbunden sein, dass während des Ansaugtakts und auch während des Arbeitstakts ein erheblicher Unterdruck in dem Brennraum erzeugt wird, wodurch gegebenenfalls Motoröl über den Spalt, der zwischen dem Kolben und der Wandung der Zylinderöffnung ausgebildet ist, in den Brennraum gesaugt werden kann, was vermieden werden sollte.
Diese Problematik vermeidet oder vermindert der erfindungsgemäße Schubbetrieb des Verbrennungsmotors zumindest für den Ansaugtakt durch das Öffnen des mindestens einen Einlassventils. Zusätzlich dazu kann die Problematik einer Unterdruckerzeugung in dem Brennraum während des Arbeitstakts dadurch soweit vermindert sein, dass es zu keinem Ansaugen von Motoröl kommt, indem das Einlassventil erst später als 360°KW nach LW-OT und somit erst in dem Arbeitstakt geschlossen wird, wodurch zu Beginn des Arbeitstakts wiederum eine relativ geringe Menge an Frischgas in den Brennraum gesaugt werden kann.
Alternativ oder ergänzend dazu kann eine Unterdruckerzeugung in dem Brennraum während des Arbeitstakts auch (hinsichtlich des Maximalwerts) vermindert werden, indem das mindestens eine dem Brennraum zugeordnete Auslassventil früher als 540° nach LW-OT, vorzugsweise früher als 510°KW und somit noch während des Arbeitstakts geöffnet wird. Dadurch kann eine (relativ geringe) Menge an Abgas über das geöffnete Auslassventil in den Brennraum gesaugt werden, wodurch eine Unterdruckerzeugung entsprechend begrenzt werden kann. Das angesaugte Abgas wird dann während des Ausstoßtakts durch das weiterhin geöffnete Auslassventil wieder in den Abgasstrang abgeführt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Einlassventil während des Schubbetriebs früher als 90° nach LW-OT, vorzugsweise früher als 60° nach LW-OT, besonders bevorzugt früher als 30° nach LW-OT (erstmalig während des Ansaugtakts beziehungsweise während eines Betriebszyklus) geöffnet wird (bezieht sich auf den Öffnungsbeginn), wodurch während des Ansaugtakts im Wesentlichen vollständig eine Erzeugung eines Unterdrucks vermieden werden kann.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Einlassventil während des Schubbetriebs mit einem im Vergleich zu einem (befeuerten) Leistungsbetrieb des Verbrennungsmotors kleineren maximalen Ventilhub geöffnet wird. Der maximalen Ventilhub des mindestens einen Einlassventils kann dabei vorzugsweise höchstens 2 mm oder vorzugsweise höchstens 1 mm, besonders bevorzugt möglichst exakt 1 mm betragen. Dadurch wird während des Ansaughubs nur eine relativ geringe Menge an Frischgas in den Brennraum eingebracht (und vollständig oder weitestgehend während des nachfolgenden Verdichtungstakts wieder in den Frischgasstrang ausgeschoben), wodurch eine ungewollte Auskühlung des Brennraums durch das Frischgas entsprechend gering gehalten werden kann. Das Einbringen nur einer relativ geringen Menge an Frischgas in den Brennraum kann zwar dazu führen, dass während des Ansaugtakts weiterhin ein Unterdruck in dem Brennraum erzeugt wird. Die Höhe dieses Unterdrucks kann jedoch ausreichend gering sein, um die beschriebene Problematik eines möglichen Ansaugens von Motoröl vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Schließen des Einlassventils später als 270°KW nach LW-OT ein erstes Schließen nach LW-OT ist. Demnach kann vorgesehen sein, das Einlassventil ab dem Öffnen während des Ansaugtakts bis zum Schließen am Ende des Verdichtungstakts oder am Anfang des Arbeitstakts geöffnet zu halten. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Schließen des Einlassventils später als 270°KW nach LW-OT ein zweites oder sogar ein noch häufigeres Schließen nach LW-OT ist. Beide Alternativen können Vorteile hinsichtlich der Belastung des Ventiltriebs aufweisen. Bei der ersten Alternative wird das Einlassventil grundsätzlich seltener betätigt, gleichzeitig liegt jedoch die Belastung, die zum Betätigen des Einlassventils erforderlich ist, über einen relativ langen Zeitraum an. Durch ein zwischenzeitliches Schließen des mindestens einen Einlassventils gemäß der zweiten Alternative wird der Zeitraum der Belastung des Einlassventils reduziert; gleichzeitig erfolgt eine häufigere Betätigung, was ebenfalls eine (andersartige) Belastung darstellen kann.
Das Schließen des Einlassventils später als 270°KW nach LW-OT kann weiterhin bevorzugt ein finales Schließen für einen Betriebszyklus des Verbrennungsmotors sein, so dass in demselben Betriebszyklus kein Öffnen und Schließen des Einlassventils mehr vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Betätigung des Einlassventils ist spezifisch für den Schubbetrieb und grundsätzlich für einen befeuerten Leistungsbetrieb des Verbrennungsmotors ungeeignet. Demnach können erfindungsgemäß unterschiedliche Arten der Betätigung des mindestens einen Einlassventils für einerseits den Schubbetrieb und andererseits den Leistungsbetrieb vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Einlassventil während des Leistungsbetriebs ausschließlich während des Ansaugtakts oder gegebenenfalls noch bis maximal 210°KW nach LW-OT und damit nur kurz bis in den Verdichtungstakt hinein betätigt beziehungsweise offen gehalten wird.
Die unterschiedlichen Arten der Betätigung für das mindestens eine Einlassventil kann grundsätzlich mittels eines beliebigen, entsprechend variablen Ventiltriebs, insbesondere mittels eines vollvariablen Ventiltriebs, der beispielsweise auf elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen beruhen kann, bewirkt werden. Derartige vollvariable Ventiltriebe sind jedoch relativ komplex und damit teuer. Vorzugsweise kann daher vorgesehen sein, dass die unterschiedlichen Betätigungen des Einlassventils während des Schubbetriebs einerseits und während des Leistungsbetriebs andererseits durch die Verwendung unterschiedlicher Nocken einer Nockenwelle des Ventiltriebs realisiert werden. Hierzu kann diese Nockenwelle vorzugsweise eine Grundwelle und einen axial (d.h. entlang der Längs- beziehungsweise Rotationsachse der Grundwelle) auf der Grundwelle verschiebbaren Nockenträger sowie eine Betätigungsvorrichtung zum bedarfsweisen Verschieben des Nockenträgers mittels mindestens einer auf den Nockenträger einwirkenden Betätigungsvorrichtung umfassen.
Ergänzend dazu kann der Ventiltrieb auch einen Phasensteller zum Ändern der Drehausrichtung der mindestens einen Nockenwelle relativ zu der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors aufweisen, womit folglich auch eine Verschiebung der Steuerzeiten, zu denen zumindest das mindestens eine Einlassventil betätigt wird, realisiert werden kann.
Sofern eine erfindungsgemäß zu betreibende Verbrennungsmotor mehrere Brennräume und/oder mehrere Einlassventile je Brennraum aufweist, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass alle Einlassventile je Brennraum und/oder das oder die Einlassventile aller Brennräume erfindungsgemäß betätigt werden.
Die Angaben der Steuerzeiten, d.h. das Öffnen (Öffnungsanfang) oder Schließen (Schließende) des mindestens einen Einlassventils und des mindestens einen Auslassventils, können sich jeweils auf eine Hubschwelle von 0,5 mm beziehen, ab der von einer wirksamen Öffnung dieser Gaswechselventile ausgegangen werden kann. Die Angaben der Steuerzeiten können sich jedoch auch auf eine Hubschwelle von 0,0 mm (vollständig geschlossen) beziehen.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich beispielsweise um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination daraus, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäß betriebenen oder betreibbaren Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:

1: einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor als Teil einer Brennkraftmaschine in einer Aufsicht;
2: den Verbrennungsmotor in einer Längsschnittdarstellung;
3: einen Nockenträger des Verbrennungsmotors sowie eine dazugehörige Betätigungsvorrichtung;
4: Ventilhubkurven für die Einlass- und Auslassventile, die einem Brennraum eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zugeordnet sind, gemäß einer ersten Ausführungsform;
5: Ventilhubkurven für die Einlass- und Auslassventile, die einem Brennraum eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zugeordnet sind, gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
6: Ventilhubkurven für die Einlass- und Auslassventile, die einem Brennraum eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zugeordnet sind, gemäß einer dritten Ausführungsform.

In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt. Dieser bildet in einem Verbund aus Zylindergehäuse 2 und Zylinderkopf 3 mehrere (z.B. vier) Zylinderöffnungen 4 aus. Die Zylinderöffnungen 4 sind einlassseitig mit einem Saugrohr 6 eines Frischgasstrangs 5 und auslassseitig mit einem Abgaskrümmer 8 eines Abgasstrangs 7 des Verbrennungsmotors 1 gasführend verbunden. In bekannter Weise wird in einem Leistungsbetrieb des Verbrennungsmotors 1 in Brennräumen 9, die von den Zylinderöffnungen 4 zusammen mit darin geführten Kolben 10 sowie mit dem Zylinderkopf 3 begrenzt sind, Frischgas (ausschließlich oder hauptsächlich Luft) mit Kraftstoff verbrannt. Der Kraftstoff kann dazu mittels Injektoren 11 direkt in die Brennräume 9 eingebracht werden. Das bei der Verbrennung der Kraftstoff-Frischgas-Gemische entstehende Abgas wird über den Abgasstrang 7 abgeführt.
Die Zufuhr des Frischgases in die Brennräume 9 und die Abfuhr des Abgases aus den Brennräumen 9 wird über Gaswechselventile 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel über zwei Einlassventile 12a und zwei Auslassventile 12b je Brennraum 9, gesteuert, die von einem in der 1 nicht, in der 2 nur teilweise und in der 3 in weiteren Details dargestellten Ventiltrieb des Verbrennungsmotors 1 betätigt werden.
Der Ventiltrieb umfasst gemäß der 2 eine Kurbelwelle 13, die Kurbelzapfen 14 ausbildet, wobei die Kurbelzapfen 14 mit den Kolben 10 über Pleuel 15 verbunden sind. Dadurch führen Linearbewegungen der Kolben 10 zu einer Rotation der Kurbelwelle 13, wobei die Rotation der Kurbelwelle 13 wiederum einen periodischen Richtungswechsel der Linearbewegungen der Kolben 10 bewirkt. Eine Rotation der Kurbelwelle 13 wird zudem über ein Steuergetriebe, beispielsweise ein Zahnriemengetriebe 16, auf zwei Nockenwellen 17 übertragen, von denen jede zwei Gaswechselventile 12 je Brennraum 9 betätigt. Von den Nockenwellen 17 ist eine als Einlassnockenwelle ausgebildet, d.h. diese betätigt alle Einlassventile 12a, während die andere als Auslassnockenwelle ausgebildet ist und folglich alle Auslassventile 12b betätigt. Es ist aber auch eine Ausgestaltung des Verbrennungsmotors möglich, bei der jede der Nockenwellen 17 als sogenannte gemischte Nockenwelle sowohl Einlassventile 12a als auch Auslassventile 12b betätigt.
Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin einen Abgasturbolader (vgl. 1). Dieser weist eine in den Abgasstrang 7 integrierte Abgasturbine 18 sowie einen in den Frischgasstrang 5 integrierten Frischgasverdichter 19 auf. Ein von einem Abgasstrom rotierend angetriebenes Laufrad der Abgasturbine 18 treibt über eine Welle 20 ein Laufrad des Frischgasverdichters 19 an. Die so bewirkte Rotation des Laufrads des Frischgasverdichters 19 verdichtet das durch diesen hindurch geführte Frischgas. Mittels eines Wastegates 21 kann eine Ladedruckbegrenzung erzielt werden, indem in einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit hohen Drehzahlen und/oder Lasten ein Teil des Abgasstroms an der Abgasturbine 18 vorbei geführt wird. Weiterhin ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 22 in den Abgasstrang 7 integriert.
Der Verbrennungsmotor 1 umfasst weiterhin eine Stellvorrichtung 23, mittels der für die Gaswechselventile 12 von einer Betätigung gemäß einem ersten Hubverlauf zu einer Betätigung gemäß einem zweiten Hubverlauf umgeschaltet werden kann. Diese Stellvorrichtung 23 ist von einer Steuerungsvorrichtung 24 ansteuerbar und in der 2 nur schematisch angedeutet. Die Funktion der Stellvorrichtung 23 beruht auf einer längsaxialen Verschiebbarkeit von hülsenförmigen Nockenträgern 25 (vgl. auch 3), die drehfest auf einer Grundwelle 26 der jeweiligen Nockenwelle 17 angeordnet sind, mittels jeweils einer Betätigungsvorrichtung 27 (vgl. 3). Die Nockenträger 25 weisen für jedes der von diesen betätigbaren Gaswechselventile 12 zwei unterschiedliche Nocken 28, 29 auf (vgl. 3), die in Abhängigkeit von den eingestellten Verschiebestellungen der Nockenträger 25 alternativ mit den dazugehörigen Gaswechselventilen 12 zusammenwirken.
In dem Ausgestaltungsbeispiel, wie es in den 1 bis 3 dargestellt ist, umfasst jeder der Nockenträger 25 insgesamt vier Paare erster und zweiter Nocken, 28, 29, die jeweils einem Gaswechselventil 12 des Verbrennungsmotor 1 zugeordnet sind. Mittels der Nocken 28, 29, die von einem derartigen Nockenträger 68 ausgebildet sind, werden somit entweder die Einlassventile 12a oder die Auslassventile 12b von insgesamt zwei benachbarten Brennräumen 9 des Verbrennungsmotors 1, bei dem jedem Brennraum 9 zwei Einlassventile 12a und zwei Auslassventile 12b zugeordnet sind, betätigt. Zwischen den beiden den Gaswechselventilen 12 eines ersten Brennraums 9 zugeordneten Nockenpaaren und den beiden den Gaswechselventilen 12 eines zweiten Brennraums 9 zugeordneten Nockenpaaren bildet jeder der Nockenträger 25 gemäß der 3 weiterhin noch eine Schaltkulisse mit zwei Führungsnuten 30 aus. Durch ein Zusammenwirken dieser Führungsnuten 30 mit Führungsstiften 31 der zugehörigen Betätigungsvorrichtung 27 kann der zugehörige Nockenträger 25 axial um eine definierte Distanz verschoben und dadurch jeweils (ausschließlich) ein ausgewählter der Nocken 28, 29 jedes Nockenpaars mit dem zugehörigen Gaswechselventil 12 in Wirkverbindung gebracht werden. Gemäß der 3 kann hierzu beispielsweise ausgehend von der dargestellten Stellung, in der die Gaswechselventile 12 jeweils mit dem rechten Nocken 29 jedes Nockenpaars in Wirkverbindung stehen, der linke Führungsstift 31 ausgefahren werden und der Nockenträger 25 dadurch, im Zusammenwirken mit einer Rotation, nach rechts verschoben werden. Infolge des Auslaufens der Führungsnuten 30 in den Außenumfang der Schaltkulisse wird der linke Führungsstift 31 anschließend wieder in die eingefahrene Stellung zurückbewegt. Nach einem solchen Verschieben des Nockenträgers 25 befinden sich dann jeweils die linken Nocken 28 jedes Nockenpaars in Wirkverbindung mit dem dazugehörigen Gaswechselventil 12. Ein solches Verschieben eines der Nockenträger 25 nach rechts führt weiterhin dazu, dass der rechte Führungsstift 31 in Überdeckung mit der rechten Führungsnut 30 gebracht wurde, so dass durch ein Ausfahren dieses rechten Führungsstifts 31 der Nockenträger 25 um dieselbe Distanz nach links verschoben werden kann.
Der Verbrennungsmotor 1 kann optional einen Phasensteller 32 aufweisen, mittels dessen die Drehausrichtung der Einlassnockenwelle 17 und optional auch der Auslassnockenwelle 17 gegenüber der Drehausrichtung der Kurbelwelle 13 in Grenzen verändert werden kann, was mit einer entsprechenden Verschiebung der Steuerzeiten, zu denen die Gaswechselventile 12 betätigt werden, führt.
Für den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 1 ist vorgesehen, dass die Einlassventile 12a während eines Leistungsbetriebs einerseits und während eines Schubbetriebs andererseits mit unterschiedlichen der Nocken 28, 29 betätigt werden. Beispiele für entsprechende Betätigungen sind in den 4 bis 6 für jeweils einen der Brennräume 9 dargestellt, wobei diese Betätigungen der Einlassventile 12a auch bei erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoren 1 zum Einsatz kommen können, die anders als der in den 1 bis 3 dargestellte Verbrennungsmotor 1 ausgestaltet sind.
Gemäß jedem dieser Beispiele werden die Einlassventile 12a während des Leistungsbetriebs des Verbrennungsmotors 1 in jedem Betriebszyklus ausschließlich während des Ansaugtakts, der sich von LW-OT bis 180°KW erstreckt, und zudem mit einem relativ großen maximalen Ventilhub von beispielsweise ca. 6.5 mm geöffnet (Hubverlauf 33). Dabei kann vorgesehen sein, dass die Einlassventile 12a bei ca. 25°KW nach LW-OT geöffnet und bei ca. 172.5°KW nach LW OT geschlossen werden. Diese Angaben bezüglich der Steuerzeiten beziehen sich auf eine Hubschwelle von 0,5 mm.
Weiterhin werden gemäß jedem dieser Beispiele die Auslassventile 12b sowohl während des Leistungsbetriebs als auch während des Schubbetriebs primär während des Ausstoßtakts, der sich von 540°KW nach LW OT bis zum LW-OT beziehungsweise von 270°KW vor LW-OT bis zum LW-OT erstreckt, betätigt (Hubverlauf 34). Dabei ist ein Öffnen jedoch noch am Ende des dem Ausstoßtakt vorausgehenden Arbeitstakts, der sich von 360°KW nach LW-OT bis 540°KW nach LW-OT erstreckt, vorgesehen. Konkret kann vorgesehen sein, dass die Auslassventile ca. 7.5°KW vor Beginn des Ausstoßtakts (und damit bei ca. 532.5°KW nach LW-OT) geöffnet werden.
Während eines Schubbetriebs werden die Einlassventile 12a nicht nur während des Ansaugtakts sondern auch während des Verdichtungstakts betätigt (Hubverlauf 35), wobei gemäß der 5 sogar vorgesehen sein kann, das Schließen der Einlassventile 12a erst zum Anfang des Arbeitstakts, d.h. später als 360°KW nach LW-OT (jedoch vorzugsweise vor 390°KW nach LW-OT) durchzuführen. Dabei werden die Einlassventile 12a nur mit einem maximalen Ventilhub von ca. 1 mm betätigt. Durch ein solches spätes (letztmaliges) Schließen der Einlassventile 12a wird erreicht, dass Frischgas aus dem Frischgasstrang 5 zu Beginn des Ansaugtakts angesaugt und zum Ende des Verdichtungstakts wieder aus dem jeweiligen Brennraum 9 in den Frischgasstrang 5 ausgeschoben wird. Dadurch wird die Ausbildung eines Unterdrucks in den Brennräumen 9 während des jeweiligen Ansaugtakts und Verdichtungstakts vermindert. Gleichzeitig wird vermieden, dass relevante Mengen von Frischgas innerhalb der Brennräume 9 verbleiben, die in dem sich jeweils nachfolgenden Ausstoßtakt in den Abgasstrang 7 ausgestoßen würden. Um auch während des jeweiligen Arbeitstakts eine Ausbildung eines Unterdrucks in den Brennräumen 9 gering zu halten, kann vorteilhaft das Schließen der Einlassventile 12a erst zu Beginn des jeweiligen Arbeitstakts vorgesehen sein, weil durch die Hubbewegung des Kolbens 10 zu Beginn des Arbeitstakts bei noch geöffneten Einlassventilen 12a erneut eine relativ geringe Menge an Frischgas aus dem Frischgasstrang 5 angesaugt wird. Ergänzend dazu unterstützen auch die bereits zum Ende des Arbeitstakts teilweise geöffneten Auslassventile 12b ein Geringhalten eines Unterdrucks in den Brennräumen 9 während des jeweiligen Arbeitstakts, indem über die geöffneten Auslassventile 12b eine relativ geringe Menge an Abgas aus dem Abgasstrang 7 in die Brennräume 9 gesaugt wird.
Eine Betätigung der Einlassventile 12a während des Schubbetriebs des Verbrennungsmotors 1 erfolgt bei den Ausführungsformen gemäß den 4 einerseits und 5 andererseits grundsätzlich mittels identischer Nocken 28, 29. Das spätere Schließen bei der Ausführungsform gemäß der 5 im Vergleich zu demjenigen gemäß der 4 ist darin begründet, dass die Betätigung der Einlassventile 12a insgesamt mittels eines der Einlassnockenwelle 17 zugeordneten Phasenstellers 32 um 30°KW nach spät verstellt wurde, so dass die Einlassventile 12a während des Schubbetriebs auch entsprechend spät geöffnet werden.
Während bei den Ausführungsformen gemäß den 4 und 5 die Einlassventile 12a nach dem Öffnen während des Ansaugtakts bis zum Schließen während des Ausstoßtakts (vgl. 4) oder während des Arbeitstakts (vgl. 5) dauerhaft und mit konstantem maximalen Ventilhub offen gehalten werden, ist bei der Ausführungsform gemäß der 6 vorgesehen, die Einlassventile 12a zum Ende des Ansaugtakts zunächst zu schließen und zum Anfang des Verdichtungstakts wieder zu öffnen. Ein (zweites) Schließen der Einlassventile 12a bei der Ausführungsform gemäß den 6 ist dann entsprechend derjenigen gemäß der 4 vorgesehen, wobei auch eine Spätverstellung mittels des Phasenstellers 32 gemäß der 5 umgesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylindergehäuse
3: Zylinderkopf
4: Zylinderöffnung
5: Frischgasstrang
6: Saugrohr
7: Abgasstrang
8: Abgaskrümmer
9: Brennraum
10: Kolben
11: Injektor
12: Gaswechselventil
12a: Einlassventil
12b: Auslassventil
13: Kurbelwelle
14: Kurbelzapfen
15: Pleuel
16: Zahnriemengetriebe
17: Nockenwelle
18: Abgasturbine
19: Frischgasverdichter
20: Welle
21: Wastegate
22: Abgasnachbehandlungseinrichtung
23: Stellvorrichtung
24: Steuerungsvorrichtung
25: Nockenträger
26: Grundwelle
27: Betätigungsvorrichtung
28: erster Nocken
29: zweiter Nocken
30: Führungsnut
31: Führungsstift
32: Phasensteller
33: Hubverlauf eines Einlassventils während des Leistungsbetriebs
34: Hubverlauf eines Auslassventils während des Leistungsbetriebs und des Schubbetriebs
35: Hubverlauf eines Einlassventils während des Schubbetriebs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021102364 A1 [0006]
DE 102016209957 A1 [0007]
DE 102007057811 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), der mindestens einen Brennraum (9) ausbildet, dem mindestens ein Einlassventil (12a) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (12a) während eines Schubbetriebs des Verbrennungsmotors (1) später als 270°KW nach LW-OT geschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (12a) während des Schubbetriebs mit einem im Vergleich zu einem Leistungsbetrieb kleineren maximalen Ventilhub geöffnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (12a) während des Schubbetriebs mit einem maximalen Ventilhub von höchstens 2 mm oder höchstens 1 mm geöffnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Einlassventils (12a) später als 270°KW nach LW-OT ein erstes Schließen nach LW-OT ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Einlassventils (12a) später als 270°KW nach LW-OT mindestens ein zweites Schließen nach LW-OT ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (12a) während des Schubbetriebs mit einem anderen Nocken (28, 29) einer Nockenwelle (17) als während eines/des Leistungsbetriebs betätigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslassventil (12b), das dem Brennraum (9) zugeordnet ist, während des Schubbetriebs geöffnet wird, nachdem das Einlassventil (12a) geschlossen wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (12b) früher als 540° nach LW-OT geöffnet wird.
Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen Brennraum (9) ausbildet, dem mindestens ein Einlassventil (12a) zugeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Ventiltrieb für das mindestens eine Einlassventil (12a), wobei der Ventiltrieb für eine Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb eine Nockenwelle (17), die eine Grundwelle (26) und einen axial auf der Grundwelle (26) verschiebbaren Nockenträger (25) umfasst, sowie eine Betätigungsvorrichtung (27) zum Verschieben des Nockenträgers (25) aufweist.