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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
der Patentschrift
CH 310325 ist
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit dem Gaswechsel
dienenden Ventilen bekannt, bei welchem durch Öffnen eines zusätzlich vorhandenen Zusatzventils
eine strömungsmäßige Verbindung zwischen
dem Brennraum einer Brennkraftmaschine und einer der Brennkraftmaschine
zugeordneten Abgasleitung hergestellt wird. Das Zusatzventil wird
im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine dauernd geöffnet, wodurch
sich eine Bremswirkung ergibt. Auf diese weise wird die beim Abbremsen
des zugehörigen
Kraftfahrzeugs aufgebrachte Bremsarbeit erhöht.
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Aufgabe
der Erfindung ist demgegenüber,
im Bedarfsfall den Wärmeeintrag
in eine Abgasreinigungseinrichtung einer Brennkraftmaschine auf
wirkungsvolle und apparativ einfache Weise zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass einer Abgasreinigungseinrichtung
der Brennkraftmaschine Abgase aus der Abgasleitung zuführbar sind
und zur Erhöhung
des Wärmeeintrags
in die Abgasreinigungseinrichtung das Zusatzauslassventil bei einem
Betriebspunkt mit positiver Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine
geöffnet
wird. Dabei wird unter einem Betriebspunkt mit positiver Leistungsabgabe
ein Betriebspunkt verstanden, bei welchem die Brennkraftmaschine
mechanische Arbeit an eine zugeordnete Antriebseinheit abgibt, sich
also im Zugbetrieb befindet.
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Insbesondere
bei nach dem Dieselprinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen ist im
unteren Teillastbereich häufig
der Wärmeeintrag
in die zugehörige
Abgasreinigungseinrichtung so gering, dass diese nicht ihre bestimmungsgemäße Temperatur
erreicht bzw. darunter absinkt. Gebräuchliche Maßnahmen zur Erhöhung des
Wärmeeintrags
in die Abgasreinigungseinrichtung umfassen häufig ansaugluftseitige Maßnahmen
wie Androsselung oder verbrennungsseitige Maßnahmen wie Veränderung
des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts. Diese Maßnahmen sind meist mit hohem
apparativem Aufwand verbunden oder weisen andere Nachteile auf.
Durch das erfindungsgemäße Öffnen des
Zusatzventils im Zugbetrieb der Brennkraftmaschine wird der Abgasreinigungseinrichtung
heißes
komprimiertes Gas aus der Brennkammer zugeführt. Dadurch kann die Abgasreinigungseinrichtung
aufgeheizt bzw. ihr Auskühlen verhindert
werden. Apparativer Zusatzaufwand und Applikationsaufwand sind hierbei
gering. Zudem wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nur gering verschlechtert,
so dass eine Aufheizung der Abgasreinigungseinrichtung nur mit einem
geringen Kraftstoffmehrverbrauch verbunden ist. Es versteht sich, dass
das Zusatzventil neben seiner erfindungsgemäßen Betätigung im Zugbetrieb der Brennkraftmaschine
nach wie vor zur Verstärkung
der Bremswirkung im Bremsbetrieb geöffnet werden kann.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird das Zusatzventil wenigstens im
Bereich des oberen Totpunkts während
des Kompressionstakts und/oder des Expansionstakts geöffnet. Hierfür wird das
Zusatzventil entsprechend getaktet betätigt. Damit wird sichergestellt,
dass heißes
Gas aus dem Brennraum der Abgasreinigungseinrichtung zugeführt wird.
Vorzugsweise wird das Zusatzventil beim Zugbetrieb der Brennkraftmaschine
jedoch für
einen für
den gewünschten
Wärmeeintrag
in die Abgasreinigungseinrichtung erforderlichen Zeitraum ständig geöffnet, d.h.
bei einer nach dem Viertaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine
die gesamten vier Takte. Das der Abgasreinigungseinrichtung zugeführte heiße Gas kann
bereits ganz oder teilweise am Brennvorgang im Brennraum teilgenommen
haben oder es enthält
noch brennbare Bestandteile, die in der Abgasreinigungseinrichtung
unter Wärmefreisetzung oxidiert
werden können.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Zusatzventil unterhalb
eines vorgebbaren Lastpunktes im Teillastbereich der Brennkraftmaschine geöffnet. Oberhalb
des vorgebbaren Lastpunkts der Brennkraftmaschine bleibt das Zusatzventil
im Zugbetrieb der Brennkraftmaschine geschlossen. Dadurch wird sichergestellt,
dass keine Überhitzung
des Zusatzventils oder abgasführender
Bauteile eintritt. Zur Regulierung des Wärmeeintrags in die Abgasreinigungseinrichtung
im Teillastbereich kann vorgesehen sein, die Öffnungsweite des Zusatzventils
in Abhängigkeit
vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine einzustellen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Zusatzventil unterhalb
einer vorgebbaren Grenztemperatur der Abgasreinigungseinrichtung
geöffnet. Hierzu
ist es zweckmäßig, die
Temperatur an einer oder mehreren Stellen in der Abgasreinigungseinrichtung
messtechnisch oder modellmäßig zu ermitteln.
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Die
Betätigung
des Zusatzventils erfolgt dann vorzugsweise in Abhängigkeit
von der ermittelten Temperatur. Dabei ist es vorteilhaft, die Öffnungsweite
bzw. den Hub des Zusatzventils in Abhängigkeit von der Temperatur
einzustellen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei geöffnetem Zusatzventil der thermodynamische Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine durch eine Veränderung von Kraftstoffeinspritzparametern
vermindert. Durch diese Maßnahme
kann der Wärmeeintrag
in die Abgasreinigungseinrichtung zusätzlich verstärkt werden,
da anstelle einer Abgabe mechanischer Energie Wärmeenergie freigesetzt wird.
Unter einem Kraftstoffeinspritzparameter sind in diesem Zusammenhang
insbesondere der Zeitpunkt, die Menge und/oder der Druck einer Kraftstoffeinspritzung
zu verstehen. Insbesondere kann eine Verschiebung des Spritzbeginns
einer Hauptkraftstoffeinspritzung zweckmäßig sein. Ebenfalls vorteilhaft
ist die Durchführung
einer Nacheinspritzung. Diese kann gegebenenfalls so durchgeführt werden,
dass unverbrannte Kraftstoffbestandteile der Abgasreinigungseinrichtung
zugeführt
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Zusatzventil bei einem
Regenerationsbetrieb zur Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung
geöffnet.
Insbesondere bei der Regeneration eines der Abgasreinigungseinrichtung
zugeordneten Partikelfilters sind hohe Temperaturen erforderlich.
Die erfindungsgemäße Öffnung des
Zusatzventils erleichtert die Erzielung der notwendigen hohen Temperaturen des
Partikelfilters, gegebenenfalls als unterstützende Maßnahme zu weiteren temperatursteigernden
Maßnahmen.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht und werden nachfolgend
beschrie- ben.
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Die
einzige Zeichnung zeigt schematisch einen Zylinder 1 einer
Brennkraftmaschine mit einer Lufteinlassleitung 5 und einer
Abgasauslassleitung 6, in welcher eine Abgasreinigungseinrichtung 10 angeordnet
ist. Der Zylinder 1 weist ferner einen Zylinderkopf 4 auf,
in welchem zur Durchführung
des Gaswechsels ein Gaseinlassventil 7 und ein Gasauslassventil 8 angeordnet
sind. Die Ventile 7, 8 sind hier in geschlossenem
Zustand dargestellt. Entsprechend befindet sich ein Kolben 2 des
Zylinders 1 in der Nähe
seines oberen Totpunkts, wobei dem Zylinder 1 über die
Lufteinlassleitung 5 zugeführte Verbrennungsluft im Brennraum 3 komprimiert
wird.
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Dem
Zylinderkopf 4 ist ein Zusatzventil 9 zugeordnet,
durch welches eine Öffnung
zum Brennraum 3 derart freigegeben werden kann, dass eine strömungsmäßige Verbindung
zwischen dem Brennraum 3 und der Abgasauslassleitung 6 hergestellt wird.
Das Zusatzventil 9 ist in der Zeichnung in geöffneter
Stellung dargestellt, wobei in dieser Stellung beim Kompressionshub
die im Brennraum 3 komprimierten Gase aus dem Brennraum 3 heraus über eine
Verbindungsleitung 11 in die Abgasauslassleitung 6 hinein
strömen
können
und weiter zur Abgasreinigungseinrichtung 6 geführt werden.
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Es
versteht sich, dass die Brennkraftmaschine über weitere hier nicht dargestellte
Komponenten, wie beispielsweise einen Abgasturbolader oder eine Bremsklappe
und dergleichen verfügen
und insbesondere über
mehrere gleichartige bzw. identische Zylinder aufweisen kann. Die
Abgasreinigungseinrichtung 10 kann mehrere Komponenten,
wie beispielsweise einen vorzugsweise motornah angeordneten Oxidationskatalysator
und einen nachgeschalteten Partikelfilter aufweisen. Zusätzlich oder
alternativ kann ein SCR-Katalysator oder ein Stickoxid-Speicherkatalysator
zur katalytischen Stickoxidreinigung vorgesehen sein.
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Obschon
die Erfindung bei unterschiedlichen Arten von Brennkraftmaschinen
einsetzbar ist, wird im folgenden davon ausgegangen, dass es sich
um einen Dieselmotor für
Nutzfahrzeuge mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung handelt. Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
ist in der Zeichnung die Einspritzanlage nicht dargestellt. Bei
dieser Art von Motoren besteht vorzugsweise eine erste Funktion
des Zusatzventils 9 in einer Zusatzbremswirkung, die im
Bremsbetrieb des Motors erreicht wird, wenn das Zusatzventil 9 zumindest
bei einer Kolbenstellung im Bereich oberen Totpunkts während des
Kompressionstaktes und/oder des Expansionstakts geöffnet wird. Dabei
ist der Zylinder 1 vorzugsweise nicht befeuert. Da beim
Kompressionstakt die Luft teilweise über das geöffnete Zusatzventil 9 in
die Abgasauslassleitung 6 entweichen kann, wird verhindert,
dass komprimierte Luft den Kolben 2 in seiner Bewegung
nach unten beim nachfolgenden Expansionstakt unterstützt. Da
dennoch Kompressionsarbeit verrichtet wird, ergibt sich insgesamt
eine Bremswirkung.
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Erfindungsgemäß ist das
Zusatzventil 9 getrennt von den dem Gaswechsel dienenden
Ventilen 7, 8 ansteuerbar und wird wie nachfolgend
beschrieben, gegebenenfalls zusätzlich
zum Bremsbetrieb bei einem Zugbetrieb des Motors mit positiver Leistungsabgabe
geöffnet.
Mit dieser zweiten Funktion des Zusatzventils kann der Wärmeeintrag
in die Abgasreinigungseinrichtung 10 erhöht werden.
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Beim
Zugbetrieb ist der Zylinder 1 befeuert und es entweichen
beim Kompressionstakt über
das geöffnete
Zusatzventil und die Verbindungsleitung 11 heiße Verbrennungsgase
in die Abgasaus lassleitung 6. Die heißen Verbrennungsabgase tragen
Wärmeenergie
in die Abgasreinigungseinrichtung 10 ein, wodurch diese
aufgeheizt wird oder deren Abkühlung vermieden
wird.
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Dabei
ist vorgesehen, das Zusatzventil 9 wenigstens dann zu öffnen, wenn
der Kolben 2 sich im Kompressionstakt bzw. im Expansionstakt
im Bereich des oberen Totpunkts befindet. Besonders bevorzugt ist
es, das Zusatzventil 9 während einer Vielzahl von Arbeitsspielen
ununterbrochen geöffnet
zu halten. Dadurch werden komplizierte Ansteuerungsmechanismen vermieden.
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Insbesondere
wenn ein ermäßigter Wärmeeintrag
in die Abgasreinigungseinrichtung 10 erfolgen soll, könne weitere
Betriebsweisen vorgesehen sein. Zum einen kann ein intermittierender
Betrieb des Zusatzventils 9 vorgenommen werden, bei welchem
das Zusatzventil 9 nicht bei jedem Arbeitsspiel geöffnet ist
bzw. betätigt
wird, sondern lediglich bei jedem vorgebbaren Vielfachen eines Arbeitsspiels. Bei
einer mehrzylindigen Brennkraftmaschine kann es vorteilhaft sein,
das Zusatzventil 9 nur bei einer vorgebbaren Teilmenge
der Zylinder zu betätigen, während es
bei den anderen Zylindern geschlossen bleibt. Die thermische Belastung
des Zusatzventils 9 und der gasführenden Leitungen kann dabei
insbesondere vermindert werden, wenn die Zylinder, bei denen das
Zusatzventil 9 betätigt
wird reihum zyklisch in einer vorgebbaren Reihenfolge durchgeschalten
werden.
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Ferner
kann der Einsatz einer Regelung vorgesehen werden, die eine gesteuerte
oder geregelte getaktete Betätigung
des Zusatzventils 9 ermöglicht. Die
Taktung kann sich am Brennraumdruck und/oder an der Temperatur der
Gase im Brennraum 3 orientieren. Das Zusatzventil 9 wird
in diesem Fall beispielsweise bei einer Kurbelwinkelposition geöffnet, bei
wel cher der Brennraumdruck bzw. die Brennraumtemperatur einen vorgebbaren
Wert überschreitet.
Damit kann erreicht werden, dass mit den aus den Brennraum entweichenden
Gasen ein optimaler Heizeffekt erzielt wird. Das Schließen des
Zusatzventils 9 erfolgt vorzugsweise wenn das Gasauslassventil 8 öffnet. Ebenfalls
möglich
ist es, das Zusatzventil während
der gesamten Öffnungsphase
des Gasauslassventils geöffnet
zu lassen.
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Um
eine thermische Überlastung
des Zusatzventils 9 und der gasführenden Leitungen 6, 11 zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Öffnung des Zusatzventils 9 im
Zugbetrieb des Motors auf den Teillastbereich beschränkt wird.
Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang ferner, wenn oberhalb
einer vorgebbaren Grenzlast des Motors über eine geeignete, hier nicht
dargestellte Steuerung die Öffnung des
Zusatzventils 9 unterbunden wird oder die Öffnungszeit
auf eine lastabhängige
Zeit begrenzt wird. Unterhalb dieser Grenzlast wird eine Öffnung des
Zusatzventils 9 gegebenenfalls lastabhängig durchgeführt.
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Dabei
ist es außerdem
vorteilhaft, die Öffnung
des Zusatzventils 9 von weiteren Bedingungen abhängig zu
machen. Das Zusatzventil 9 bleibt dann solange geöffnet, wie
die entsprechenden Bedingungen vorliegen. Insbesondere kann vorgesehen
sein, die Öffnung
des Zusatzventils 9 von einer Temperatur in der Abgasreinigungseinrichtung 10 abhängig zu machen.
Hierzu ist es vorteilhaft, durch nicht näher dargestellte Temperaturfühler die
Temperatur in der Abgasreinigungseinrichtung 10 zu erfassen.
Die Ermittlung von Temperaturen in der Abgasreinigungseinrichtung 10 durch
eine rechnerische Modellierung ist ebenfalls möglich. Je nach Ausführung der
Abgasreinigungseinrichtung 10 und Betriebszustand können für das Öffnen des
Zusatzventils 9 verschiedene Temperaturwerte maßgebend sein.
Bei einem Normalbetrieb kann beispielsweise das Unterschreiten der
sogenannten Anspringtemperatur eines Katalysators als Kriterium
zur Öffnung
des Zusatzventils 9 maßgebend
sein.
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Umfasst
die Abgasreinigungseinrichtung 10 einen Partikelfilter,
so kann für
eine thermische Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand
eine im Bereich des Partikelfilters ermittelte Temperatur als Kriterium
zur Öffnung
des Zusatzventils 9 maßgebend sein.
Dabei versteht sich, dass die genannten oder zusätzliche Kriterien auch gemeinsam
für die
Entscheidung über
das Öffnen
des Zusatzventils 9 im Zugbetrieb des Motors herangezogen
werden können.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, die Öffnungsweite bzw.
den Hub des Zusatzventils 9 variabel auszuführen. Dadurch
kann das Zusatzventil 9 je nach Betriebszustand mehr oder
weniger stark geöffnet
werden und somit der Wärmeeintrag
in die Abgasreinigungseinrichtung 10 bedarfsgerecht oder
situationsgerecht reguliert werden. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang,
die Öffnungsweite
des Zusatzventils 9 in Abhängigkeit von der Motorlast
und/oder vom Ausmaß der
Unterschreitung einer Solltemperatur in der Abgasreinigungseinrichtung 10 zu
regulieren.
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Es
versteht sich, dass gegebenenfalls zusätzlich zu dem durch Öffnen des
Zusatzventils 9 bewirkten erhöhten Wärmeeintrag in die Abgasreinigungseinrichtung 10 weitere
Maßnahmen
ergriffen werden können,
um die Temperatur der Abgasreinigungseinrichtung 10 zu
erhöhen
oder zu halten. Insbesondere kann es beispielsweise bei einem erhöhten Wärmebedarf
vorgesehen sein, die Kraftstoffeinspritzparameter im Sinne eines
erhöhten
Wärmeeintrags
in die Abgasreinigungseinrichtung 10 zu ändern.
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Ferner
kann über
ein Öffnen
des Zusatzventils 9 die Zusammensetzung des der Abgasreinigungseinrichtung 10 zugeführten Abgases
beeinflusst werden. Beispielsweise ist es möglich, dass unverbrannte Kraftstoffbestandteile
der Abgasreinigungseinrichtung 10 zugeführt werden, wo diese oxidiert
werden können
und dabei zusätzlich
Wärme freisetzen.
Weiter ist es möglich,
den Stickoxidgehalt des Abgases zu beeinflussen. Es kann vorteilhaft sein,
wenn durch Öffnen
des Zusatzventils 9 auf die Verbrennung im Sinne einer
erhöhten
Stickoxidproduktion Einfluss genommen wird, was gegebenenfalls durch
weitere motorische Maßnahmen
unterstützt
werden kann. Die vermehrt im Abgas vorhandenen Stickoxide können in
einem Oxidationskatalysator der Abgasreinigungseinrichtung 10 zu
Stickstoffdioxid oxidiert werden und auf diese Weise ein Rußpartikelabbrand
in einem nachgeschalteten Partikelfilter verbessert werden. In diesem
Zusammenhang ist es vorteilhaft, die Temperatur des Oxidationskatalysators
durch eine Betätigung
des Zusatzventils 9 in einem Bereich für optimale Stickoxidoxidation
zu halten.
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Vorzugsweise
ist das Zusatzventil 9 hochwarmfest ausgeführt, um
einer erhöhten
Wärmebelastung
standzuhalten. Um diese zu begrenzen, kann es vorgesehen sein, die
Temperatur im Zylinderkopf 4 im Bereich des Zusatzventils 10 zu
erfassen und bei Überschreitung
einer vorgebbaren oberen Temperaturschwelle das Zusatzventil 9 zu
Schließen, bzw.
dessen Öffnung
zu verbieten.