DE19955090A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit steuerbarem Abgasturbolader sowie Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader (8, 9), zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die je Zylinder (I, II, III, IV) ein erstes Gasauslaßventil (3.1) und wenigstens ein weiteres Gasauslaßventil (3.2) aufweist und bei der die Gasauslaßventile (3) jeweils mit einem eigenen über eine Motorsteuerung (6) steuerbaren Ventiltrieb (5) verbunden sind, wobei über die ersten Gasauslaßventile (3.1) ein erster Abgasstrom erzeugt wird, der die Ladeturbine (8) beaufschlagt, und durch die weiteren Gasauslaßventile (3.2) ein zweiter Abgasstrom erzeugt wird, der mit dem ersten Abgasstrom in Strömungsrichtung gesehen hinter der Laderturbine (8) mit dem ersten Abgasstrom zusammengeführt wird, so daß durch eine wahlweise Ansteuerung der ersten Gasauslaßventile und/oder der zweiten Gasauslaßventile eine zumindest teilweise katalytisch wirkende Abgasreinigungseinrichtung mit dem ersten und/oder dem zweiten Abgasstrom beaufschlagt wird.

Description

Zumindest beim Einsatz für Kraftfahrzeuge werden Kolbenbrenn­ kraftmaschinen mit Einrichtungen zur Abgasreinigung versehen. Versieht man eine derart ausgerüstete Kolbenbrennkraftmaschi­ ne mit einem Abgasturbolader, dann besteht das Bedürfnis, für den Abgasturbolader in gewissem Umfang eine Regelung vorzuse­ hen, die in etwa an die Lastanforderungen angepaßt ist, d. h. es ist wünschenswert, daß bei geringerer Lastanforderung auch die Aufladung über den Abgasturbolader entsprechend reduziert ist.

Die Anordnung von Regeleinrichtung, die eine regelbare Auf­ teilung des heißen Abgasstromes auf die Laderturbine einer­ seits und die Abgasreinigungseinrichtung andererseits ermög­ lichen, sind im Hinblick auf die sehr hohen Abgastemperaturen im Bereich vor dem Turbolader konstruktiv sehr schwierig dar­ zustellen.

Sowohl die Laderturbine selbst als auch ein entsprechender Bypass zur Laderturbine mit einer vorgeschalteten Regelein­ richtung zur Veränderung des die Laderturbine beaufschlagen­ den Abgasstromes, stellen in Verbindung mit einer zumindest teilweise katalytisch arbeitenden Abgasreinigungseinrichtung insbesondere für den Kaltstart ein Problem dar.

Während man grundsätzlich bemüht ist, über entsprechende Füh­ rungen des Verbrennungsprozesses und/oder durch die zusätzli­ che Zugabe von Kraftstoff und Luft in den Abgaskanal die Ab­ gasreinigungseinrichtung schnellstmöglich auf Betriebstempe­ ratur zu bringen, so daß schon in kürzester Zeit im Anschluß an den Motorstart eine weitgehende Abgasreinigung stattfin­ det, stellt sowohl die Laderturbine als auch eine etwaige By­ passweiche eine nicht zu vernachlässigende "kalte Masse" dar, die der Abgasreinigungseinrichtung vorgeschaltet ist und dem Abgas während des Startvorganges entsprechende Wärmemengen entzieht, so daß die Abgasreinigungseinrichtung spürbar spä­ ter ihre Arbeitstemperatur erreicht und somit über einen län­ geren Zeitraum mit den Abgasen der Kolbenbrennkraftmaschine Schadstoffe an die Umgebung abgegeben werden.

Dieser Nachteil kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader, die je Zylinder ein erstes Gasauslaßventil und wenigstens ein weiteres Gasauslaßventil aufweist und bei der die Gasauslaß­ ventile jeweils mit einem eigenen, über eine Motorsteuerung steuerbaren Ventiltrieb verbunden sind, dadurch vermieden werden, daß über die ersten Gasauslaßventile ein erster Ab­ gasstrom erzeugt wird, der die Laderturbine beaufschlagt, und durch die weiteren Gasauslaßventile ein zweiter Abgasstrom erzeugt wird, der mit dem ersten Abgasstrom in Strömungsrich­ tung gesehen hinter der Laderturbine mit dem ersten Ab­ gasstrom zusammengeführt wird, so daß durch eine wahlweise Ansteuerung der ersten Gasauslaßventile und/oder der zweiten Gasauslaßventile eine zumindest teilweise katalytisch wirken­ de Abgasreinigungseinrichtung mit dem ersten und/oder dem zweiten Abgasstrom beaufschlagt wird. Bei einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine mit steuerbaren Ventiltrieben, insbesondere un­ abhängig steuerbaren Ventiltrieben, ist die Möglichkeit gege­ ben, über die Motorsteuerung die Gaswechselventile zumindest in ihrer Öffnungsdauer und der Phasenlage ihrer Öffnungszeit in bezug auf die Kurbelwellenstellung frei zu betätigen. Da­ mit ist es möglich, die Motorsteuerung so auszurichten, daß zumindest die ersten Gasauslaßventile im Motorbetrieb über einen oder mehrere Arbeitszyklen an einem, mehreren oder auch allen Zylindern so anzusteuern, daß sie entweder vollständig geschlossen bleiben oder von einer nur kurzzeitigen Öffnung bis zu vollen Öffnung je Arbeitszyklus angesteuert werden. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Abgasstromes auf einen ersten Abgasstrom, durch den die Laderturbine beauf­ schlagt wird und einen zweiten Abgasstrom, der als Bypass zur Laderturbine verläuft, besteht die Möglichkeit, über eine entsprechende Ansteuerung der ersten Gasauslaßventile den über die Laderturbine geführten Abgasstrom entsprechend men­ genmäßig von einer Menge "0" in Stufen oder auch stufenlos bis zur vollen Abgasmenge einzustellen.

Für den Kaltstart bedeutet dies, daß während der Startvorgan­ ges die ersten Gasauslaßventile vollständig geschlossen blei­ ben, so daß der gesamte Abgasstrom bei der ohnehin während des Startvorganges reduzierten Lastanforderung über die Ab­ gaseinrichtung geleitet wird und diese sehr schnell auf Ar­ beitstemperatur aufheizt. Nach Beendigung der Warmlaufphase oder wenn dann der Kolbenbrennkraftmaschine eine entsprechen­ de Betriebslast abgefordert wird, wird über die Motorsteue­ rung zumindest ein Teil auch der ersten Gasauslaßventile be­ tätigt, so daß mit der aufgrund der Lastanforderung zunehmend ansteigenden Abgasmenge auch die Laderturbine beaufschlagt wird und dementsprechend der Ladeverdichter Verbrennungsluft fördert. Hierdurch wird im Betrieb auch die Laderturbine auf­ geheizt, ohne daß die Betriebstemperatur der Abgasreinigungs­ einrichtung unter den wirksamen Temperaturbereich abgesenkt wird.

Bei entsprechendem Steuerprogramm ist es auch möglich, über die Motorsteuerung die ersten Gasauslaßventile voll anzusteu­ ern und dann, wie vorstehend für den Startvorgang beschrie­ ben, die zweiten Gasauslaßventile entsprechend zurückzuneh­ men, so daß bei Beschleunigungsvorgängen im Teillastbereich, bei denen eine höhere Aufladung gewünscht ist, zumindest kurzfristig die Kolbenbrennkraftmaschine zumindest mit redu­ zierter Öffnung der zweiten Gasauslaßventile betrieben werden kann und dementsprechend die gesamte Abgasmenge, zumindest eine erhöhte Abgasmenge, über die Laderturbine geführt und somit ein höherer Förderstrom über die Laderturbine zur Ver­ fügung gestellt werden kann.

Die Steuerung, ob die Aufladung erhöht oder abgesenkt werden soll, kann durch eine individuelle Ansteuerung der Öffnungs- und Schließzeiten der beiden Gasauslaßventile vorgenommen werden. Durch diese Beeinflussung der Ventilsteuerzeiten wer­ den neben den Abgasmengen auch die Druckverläufe in den bei­ den Abgaskanälen beeinflußt, wodurch die Turbine gesteuert werden kann. Beispielsweise wird durch das Öffnen der ersten Gasauslaßventile bei hohem Zylinderinnendruck eine Druckwelle erzeugt, die von der Laderturbine zu einer erhöhten Aufladung genutzt werden kann. Somit kann eine Erhöhung der Aufladung erreicht werden, indem die der Laderturbine zugeordneten er­ sten Gasauslaßventile vor den zweiten Gasauslaßventilen ge­ öffnet werden, bzw. eine Absenkung der Aufladung durch ein Öffnen der ersten Gasauslaßventile nach dem Öffnen der zwei­ ten Gasauslaßventile. Das Schließen der Gasauslaßventile steuert die Abgasmenge in den einzelnen Abgaskanälen. Ein früheres Schließen führt zu einer Reduzierung der Abgasmenge des jeweiligen Abgaskanals. Somit kann die Turbinenleistung reduziert werden, indem die ersten Gasauslaßventile jeweils vor den zweiten Gasauslaßventilen geschlossen werden, bzw. erhöht werden, durch Schließen der ersten Gasauslaßventile nach den zweiten Gasauslaßventilen.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenbrennkraftmaschine näher erläuert.

Eine mit vier Zylinder I, II, III und IV versehene Kolben­ brennkraftmaschine 1 weist je Zylinder, wie anhand von Zylin­ der I näher dargestellt, zwei Gaseinlaßventile 2.1 und 2.2 sowie zwei Gasauslaßventile 3.1 und 3.2 auf. Die Gaseinlaß­ ventile 2.1 und 2.2 und die Gasauslaßventile 3.1 und 3.2 sind mit Ventiltrieben 4.1 und 4.2 bzw. 5.1 und 5.2 versehen, die über eine Motorsteuerung 6 unabhängig ansteuerbar sind. Die Ventiltriebe 4 und 5 können beispielsweise als elektromagne­ tische Ventiltriebe, als hydraulische Ventiltriebe oder auch als mechanische Ventiltriebe ausgebildet sein, die ein ent­ sprechendes An- und Abschalten und ggf. eine Veränderung der Ventilsteuerzeiten ermöglichen. Die Motorsteuerung 6 erlaubt es hierbei, entsprechend dem Lastwunsch (Pedal 6.1) und unter Berücksichtigung gemessener und/oder integrierter Kennfelder von vorgegebenen Betriebdaten die Gaswechselventile 2 und 3 über die zugehörigen Ventiltriebe 4 und 5 anzusteuern.

"Unabhängige Ansteuerung" bedeutet, daß die Gaswechselventile jedes für sich, aber auch je Zylinder unterschiedlich ansteu­ erbar sind, so daß, wie für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, zumindest die Gasauslaßventile von einem, mehreren oder auch allen Zylinder I-IV über entsprechende Vorgaben durch die Motorsteuerung 6 angesteuert werden können.

Für die während des Betriebs anfallenden Abgase sind die er­ sten Gasauslaßventile 3.1 mit einem ersten Abgaskanal 7.1 verbunden und die zweiten Gasauslaßventile 3.2 mit einem zweiten Abgaskanal 7.2 verbunden.

Der erste Abgaskanal 7.1 beaufschlagt eine Laderturbine 8, die einen Turboverdichter 9 antreibt, durch den Verbrennungs­ luft oder Frischgemisch in den Luftzufuhrkanal 10 unter Druck eingeführt wird.

Der zweite Abgaskanal 7.2 ist in Strömungsrichtung gesehen hinter der Laderturbine 8 mit dem ersten Abgaskanal 7.1 zu einem Hauptkanal 7.3 zusammengeführt, der mit einer Abgasrei­ nigungseinrichtung 11 verbunden ist.

Werden nun bei einem Kaltstart über die Motorsteuerung 6 die ersten Gasauslaßventile 3.1 geschlossen gehalten, so daß der gesamte Abgasstrom über den zweiten Abgaskanal 7.2 geführt wird, bleibt der aus Laderturbine 8 und Turboverdichter 9 ge­ bildete Abgasturbolader außer Funktion, so daß der gesamte anfallende Abgasstrom direkt zur Abgasreinigungseinrichtung 11 geführt wird und bei entsprechender Konditionierung der Abgase über eine entsprechende Steuerung des Motorprozesses, ggf. durch Verstellung des Zündzeitpunktes und/oder der Ven­ tilsteuerzeiten oder dergl., die Temperatur des Abgases im Abgastrakt für den Kaltstart gezielt erhöht wird. Damit wird eine sehr schnelle Aufheizung der Abgasreinigungseinrichtung 11 in einer Zeit von nur wenigen Sekunden erzielt.

Sobald die Abgasreinigungseinrichtung 11 ihre Betriebstempe­ ratur erreicht hat, werden die ersten Gasauslaßventile 3.1 mit in die Ansteuerung einbezogen, so daß dann ein entspre­ chender Abgasstrom auch über die Laderturbine 8 geführt wird und der Ladeverdichter 9 entsprechend angetrieben wird. Der über den zweiten Abgaskanal 7.2 geführte heiße Abgasstrom reicht in dieser Phase aus, um die Abgasreinigungseinrichtung auf Betriebstemperatur zu halten, während durch den über den ersten Gaskanal 7.1 geführten heißen Abgasstrom die Ladertur­ bine 8 aufgeheizt wird, ohne daß die hierdurch bewirkte Tem­ peraturabsenkung die Funktionsfähigkeit der Abgasreinigungs­ einrichtung beeinträchtigt.

Werden während der Startphase und ggf. in der Warmlaufphase nur einzelne Zylinder betrieben, d. h. ein Teil der Zylinder wird durch Abschaltung der Zündung, Abschaltung von Gaswech­ selventilen und der Kraftstoffzufuhr, insbesondere der Kraft­ stoffeinspritzung stillgesetzt, dann werden üblicherweise die Zylinder entsprechend der Zündfolge abwechselnd befeuert, um hier zu einer gleichmäßigen Aufwärmung des Motors zu gelan­ gen. Es ist auch möglich, in zyklischer Vertauschung jeweils einen der Zylinder außer Betrieb zu nehmen und die übrigen Zylinder zu befeuern. In allen Fällen werden jedoch für den Startvorgang die ersten Gasauslaßventile 3.1 geschlossen ge­ halten, um so den gesamten Abgasstrom zunächst über die Ab­ gasreinigungseinrichtung 11 zu führen.

Die Erfindung ist anwendbar bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit beliebiger Zylinderzahl und ist nicht beschränkt auf Kolben­ brennkraftmaschinen mit je zwei Gaseinlaßventilen und zwei Gasauslaßventilen je Zylinder, wie am Beispiel dargestellt. Auch andere Ventilanordnungen sind möglich. Wichtig ist je­ doch, daß wenigstens zwei Gasauslaßventile je Zylinder vor­ handen sind, die die vorstehend beschriebene geteilte Abgas­ führung bis zur Abgasreinigungseinrichtung 11 ermöglichen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader (8, 9), die je Zylinder (I, II, III, IV) ein erstes Gasauslaßventil (3.1) und wenigstens ein weiteres Gas­ auslaßventil (3.2) aufweist und bei der die Gasauslaßventile (3) jeweils mit einem eigenen über eine Motorsteuerung (6) steuerbaren Ventiltrieb (5) verbunden sind, wobei über die ersten Gasauslaßventile (3.1) ein erster Abgasstrom erzeugt wird, der die Laderturbine (8) beaufschlagt, und durch die weiteren Gasauslaßventile (3.2) ein zweiter Abgasstrom er­ zeugt wird, der mit dem ersten Abgasstrom in Strömungsrich­ tung gesehen hinter der Laderturbine (8) mit dem ersten Ab­ gasstrom zusammengeführt wird, so daß durch eine wahlweise Ansteuerung der ersten Gasauslaßventile und/oder der zweiten Gasauslaßventile eine zumindest teilweise katalytisch wirken­ de Abgasreinigungseinrichtung mit dem ersten und/oder dem zweiten Abgasstrom beaufschlagt wird.

2. Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader (8, 9), zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die je Zylinder (I, II, III, IV) ein erstes Gasauslaßventil (3.1) und wenig­ stens ein weiteres Gasauslaßventil (3.2) aufweist und bei der die Gasauslaßventile (3) jeweils mit einem eigenen über eine Motorsteuerung (6) unabhängig steuerbaren Ventiltrieb (5) verbunden sind, wobei die ersten Gasauslaßventile (3.1) mit einem ersten Abgaskanal (7.1) verbunden sind, der die Lader­ turbine (8) beaufschlagt, und die weiteren Gasauslaßventile (3.2) mit einem zweiten Abgaskanal (7.2) verbunden sind, der mit dem ersten Abgaskanal (7.1) in Strömungsrichtung gesehen hinter der Laderturbine (8) zu einem Hauptkanal (7.3) zusam­ mengeführt ist, der mit einer zumindest teilweise katalytisch wirkenden Abgasreinigungseinrichtung (11) verbunden ist.