WO2010128040A1 - Brennkraftmaschine und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

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WO2010128040A1
WO2010128040A1 PCT/EP2010/056028 EP2010056028W WO2010128040A1 WO 2010128040 A1 WO2010128040 A1 WO 2010128040A1 EP 2010056028 W EP2010056028 W EP 2010056028W WO 2010128040 A1 WO2010128040 A1 WO 2010128040A1
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internal combustion
combustion engine
exhaust gas
additional valve
fresh air
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PCT/EP2010/056028
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Alfred ELSÄSSER
Alexander Ullmann
Marco Warth
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle.
  • the invention also relates to an internal combustion engine.
  • Modern internal combustion engines which are used in motor vehicles and in particular in commercial vehicles, such as construction vehicles, off-road vehicles and the like, usually include a fresh air system for supplying fresh air to combustion chambers of the internal combustion engine and an exhaust system for removing exhaust gas from the combustion chambers. Also known is the equipment of internal combustion engines with an exhaust gas recirculation system, which recirculates exhaust gas from the exhaust system in the fresh air system, which is used to reduce pollutant emissions. Furthermore, it is known, in particular for internal combustion engines of passenger cars, to arrange at least one additional valve upstream of intake chambers assigned to the combustion chambers in the fresh air system. These additional valves can z. B. be used to realize a pulse charging.
  • a desired exhaust gas recirculation rate which is to be realized with the aid of the exhaust gas recirculation system, by correspondingly actuating the at least one additional valve.
  • flow dynamic effects in the fresh air flow are utilized to generate or amplify pressure oscillations.
  • these pressure oscillations can be positioned such that the pressure gradient between an inlet of the exhaust gas recirculation system connected to the exhaust system and an outlet of the exhaust gas recirculation system connected to the fresh air system can be adjusted via negative pressure amplitudes.
  • This pressure gradient allows the exhaust gas recirculation rate to be set.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for an operating method of the type mentioned or for an internal combustion engine, an improved embodiment, which is particularly characterized in that environmentally relevant parameters such. As pollutant emissions and fuel consumption are improved.
  • the invention is based on the general idea of using the at least one additional valve to optimize an environmental parameter of the internal combustion engine in individual operating points of the internal combustion engine or to set an optimized compromise for at least two environmental parameters of the internal combustion engine.
  • a minimum fuel consumption or a minimum nitrogen oxide content in the exhaust gas or a minimum particle content in the exhaust gas can be set.
  • compromises can be made for at least two such environmental parameters.
  • the invention utilizes the knowledge that, by varying a phase angle of the at least one additional valve relative to the rotation of a crankshaft of the internal combustion engine or relative to its crankshaft angle, different and phase-dependent effects are present at least on said environmental parameters. It has thus been found that the variation of the phase angle of the at least one additional valve not only has an influence on the exhaust gas recirculation rate, but also on other parameters, namely in particular at least on the above three environmental parameters. It is important to realize that the individual parameters have significantly different dependencies on the respective phase position of the at least one additional valve. For example. A minimum for the nitrogen oxide content coincides with a maximum for the particle content, while the fuel consumption at this phase is largely neutral.
  • this map which is relevant for the exhaust gas recirculation rate is not simply adopted in order to set the respective exhaust gas recirculation rate according to the characteristic map in the individual operating points with the aid of a corresponding activation of the at least one additional valve; rather, in the procedure according to the invention via the actuation or over the Setting the phase position of the respective additional valve, the exhaust gas recirculation rate is not set directly, but rather via the operation or phase position of the respective additional valve targeted adjustment or optimization of the environmental parameters.
  • the beta In this procedure indirectly also an adjustment of the exhaust gas recirculation rate, which in connection with the dynamic effects of the respective additional valve is ultimately responsible for the setting of said environmental parameters.
  • the respective additional valve is designed according to an advantageous embodiment so that it alternately opens and blocks a leading to the combustion chambers fresh air path of the fresh air system during its operation. It is therefore not a proportional valve, with the aid of different opening widths for the flow-through cross-section are stationary adjustable, but a valve, the over its switching frequency, ie over its opening time or over time between two consecutive closed positions, the fresh air flow in the fresh air path affected. This allows dynamic flow effects, such. B. pressure vibrations, amplify or generate.
  • the respective additional valve is designed so that it opens the fresh air path with a constant correlation to the speed of a crankshaft of the internal combustion engine, ie with a constant correlation to the crankshaft angle of the crankshaft at a steady operation and blocks.
  • a phase position present between the respective additional valve and the crankshaft or its crankshaft angle can now be set.
  • Shaft angle (KWW) are adjusted so that a closing time of the additional valve in a range of 0 ° KWW to z. B. 240 ° KWW is freely movable.
  • the point of intersection lies between an outlet valve located in the final phase of its closing movement and an inlet valve of the relevant combustion chamber located in the initial phase of its opening movement.
  • Fig. 1 is a greatly simplified schematic diagram of a schematic
  • Internal combustion engine, 2 is a greatly simplified, partially sectioned perspective view of an arrangement of two additional valves
  • FIG. 3 is a view as in Fig. 2, but at a single additional valve
  • Fig. 4 is a highly simplified diagram for illustrating a
  • FIG. 5 shows a greatly simplified diagram for illustrating a relationship between a phase shift of the additional valve and a plurality of parameters of the internal combustion engine
  • FIG. 6 shows a simplified diagram for illustrating a relationship between two environmental parameters in a stationary operating point of the internal combustion engine
  • FIG. 7 shows a diagram for illustrating a relationship between the phase position of the additional valve and a further parameter internal combustion engine in a stationary operating point
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a transient operating state with a slow or small change
  • Fig. 9 is a diagram as in Fig. 8, but in a fast or large
  • an internal combustion engine 1 as can be used in motor vehicles for use, for. B. an engine block 2, which contains a plurality of cylinders 3, each enclosing a combustion chamber 4 and in which an unspecified piston is arranged strokever plausible.
  • an engine block 2 which contains a plurality of cylinders 3, each enclosing a combustion chamber 4 and in which an unspecified piston is arranged strokever plausible.
  • Each combustion chamber 4 gas exchange valves, namely intake valves 5 and 6 associated exhaust valves, which are arranged in the engine block 2.
  • an intake valve 5 and an exhaust valve 6 are provided per combustion chamber 4. It is clear that two or more inlet valves 5 or two or more exhaust valves 6 may be provided.
  • the internal combustion engine 1 is preferably for use as a vehicle drive for commercial vehicles and passenger cars, and useful in heavy commercial vehicles such. As construction vehicles and off-road vehicles.
  • the internal combustion engine 1 has a fresh air system 7, which serves to supply fresh air to the combustion chambers 4.
  • the fresh air system 7 a fresh air line 8, which contains a fresh air path 9, which is indicated in Fig. 1 by arrows.
  • the internal combustion engine 1 is equipped with an exhaust system 10, which serves to carry away exhaust gas from the combustion chambers 4. It has for this purpose an exhaust pipe 11 which contains an exhaust path 12 which is indicated by arrows.
  • the internal combustion engine 1 is equipped with an exhaust gas recirculation system 13 with which it is possible to recirculate exhaust gas from the exhaust system 10 to the fresh air system 7.
  • the exhaust gas recirculation system 13 has at least one return line 14. In the example, two such return lines 14 are provided. Each return line 14 leads from a branch point 15 to a discharge point 16. At the respective branch point 15, the respective return line 14 is connected on the input side to the exhaust pipe 11. At the respective introduction point 16, the respective return line 14 is connected to the fresh air line 8.
  • the fresh-air system 7 is designed to be double-flowed, at least in a section adjoining the combustion chambers 4, so that the fresh air line 8 has a first flow 8 'for supplying the first three combustion chambers 4 and a second flow 8 "for supplying the second three combustion chambers 4.
  • the exhaust system 10 is designed to be double-flowed at least in a section adjoining the combustion chambers 4, so that the exhaust pipe 11 at least in a subsequent to the combustion chambers 4 section the first combustion chamber 4 associated first flood 11 'and a
  • the two exhaust gas recirculation conduits 14 are correspondingly assigned to one of these flows 8 ', 8 "or 11', 11", respectively
  • each return line 14 contains an exhaust gas recirculation cooler 17.
  • the internal combustion engine 1 is charged in the illustrated example, so that at least one charging device is provided.
  • two charging devices are provided, namely a first charging device 18 and a second charging device 19.
  • Both charging devices 18, 19 are configured in the example as an exhaust gas turbocharger.
  • the first charging device 18 comprises a first compressor 20, which is arranged in the fresh air line 8 and which is drive-connected via a first drive shaft 21 to a first turbine 22, which is arranged in the exhaust gas line 11.
  • the second charging device 19 accordingly comprises a second compressor 23, which is arranged in the fresh air line 8 and via a second drive shaft 24 with a second turbine
  • the second compressor 23 is arranged downstream of the first compressor 20, while the second turbine 25 is arranged upstream of the first turbine 22.
  • a first charge air cooler Between the first compressor 20 and the second compressor 23 is a first charge air cooler
  • a second intercooler 27 is arranged in the fresh air line 8.
  • the internal combustion engine 1 is also equipped with at least one additional valve 28.
  • additional valve 28 In the example of Fig. 1, two such additional valves 28 are provided.
  • the respective additional valve 28 is arranged in the fresh air system 7 upstream of the intake valves 5.
  • such an additional valve 8 is arranged in each of the two flows 8 ', 8 ".
  • Each additional valve 28 is thereby assigned to three combustion chambers 4.
  • 2 shows an example of an additional valve device 29, which has two additional valves 28, which can be actuated via a common drive 30. Recognizable comprises the additional valve means 29 two gas-tightly separated line sections 31, with which the additional valve means 29 can be integrated into the two floods 8 ', 8 "of the fresh air system 7.
  • the respective additional valve 28 includes in each associated channel section 31, a valve member 32, which in the example
  • the valve members 32 are rotatably mounted on a common shaft 33 which is drivingly connected to the drive 30.
  • the drive 30 is preferably configured to rotate the valve members 32.
  • the speed of the drive 30 or the valve members 32 preferably corresponds exactly to half the speed of a crank shaft 34 of the internal combustion engine 1 indicated in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of such an additional valve device 29 which, unlike the embodiment shown in FIG. 2, has only a single additional valve 28. Accordingly, this embodiment also includes only a channel portion 31 and a valve member 32 which is disposed in the channel portion 31 and is drive-connected to the drive 30 via the shaft 33.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate examples of suitable additional valves 28 which, when actuated, can alternately open and block the respective fresh air path 9.
  • the time interval between two consecutive closed positions or closed phase Expediently, the respective additional valve 28 is actuated synchronously with the crankshaft 34, so that a constant correlation between the rotational speed of the crankshaft 34 and the switching frequency of the respective additional valve 28 is present at least in a stationary actuation of the respective additional valve 28.
  • crankshaft 34 and auxiliary valve 28 will be explained in more detail with reference to the diagram of FIG.
  • the abscissa shows the crankshaft angle in angular degrees, in short 0 KWW.
  • the ordinate shows the stroke of the gas exchange valves.
  • the diagram shows an exhaust valve lift curve 35 and an intake valve lift curve 36.
  • the two survey curves 35, 36 overlap in a small area.
  • the associated intersection point is specifically arranged at 0 ° KWW and otherwise corresponds to a top dead center of a piston movement of the piston of the considered combustion chamber.
  • FIG. 4 in the form of a vertical line contains a closing time 37 of the additional valve 28 associated with the considered combustion chamber 4, which is also shown symbolically in FIG. 4 for illustration purposes.
  • This closing time 37 is always at a stationary actuation of the additional valve 28 in the same relation to the crankshaft 34, so it is always at the same crankshaft angle.
  • the closing time 37 is at about 150 ° KWW.
  • the relative position of the closing time 37 relative to the crankshaft angle of the crankshaft 34 defines a phase position between the additional valve 28 and the crankshaft 34. According to a double arrow 38, this phase position is adjustable.
  • the closing time 37 is adjustable both in the direction of smaller crankshaft angles and in the direction of larger crankshaft angles, so as to change the phase position between additional valve 28 and crankshaft 34.
  • An arrow 39 indicates that the closing time 37, for example, of a ner output phase position, in which the closing time 37 is at 0 ° KWW, so congruent to the ordinate, is displaced to the position shown, in which the closing time 37 is about 150 ° KWW. It is clear that in principle even larger crankshaft angles are adjustable for the closing time 37, z. B. can be provided up to 240 ° KWW adjustability.
  • the phase angle for the closing time 37 in 0 KWW or in 0 CA is reproduced on the abscissa.
  • the ordinate contains the values for a particulate content (PM) of the exhaust gases, the values for a nitrogen oxide content (NO x) of the exhaust gases, the values for a fuel consumption (BSFC) of the internal combustion engine as well as the values for an exhaust gas recirculation rate (EGR). Accordingly, the diagram of FIG.
  • a profile 40 which illustrates the dependence of the particle content in the exhaust gas on the phase position of the additional valve 28, a profile 41, which illustrates the dependence of the nitrogen oxide content on the phase position of the additional valve 28, a profile 42, the Dependence of the fuel consumption of the phase position of the additional valve 28 illustrated, and a curve 43, which illustrates the dependence of the exhaust gas recirculation rate of the phase position of the additional valve 28.
  • a first phase position a and a second phase position b are entered in the diagram of FIG. 5 for the closing time 37.
  • the respective closing time is accordingly designated 37a or 37b.
  • the particle content according to the course 40 has a maximum 44
  • the nitrogen oxide content according to the course 41 has a minimum 45 there.
  • the exhaust gas recirculation rate according to the course 43 takes a relatively high value.
  • Such a phase position can be advantageous for full-load operation or for high rotational speeds if, due to the high exhaust-gas temperatures, sufficient regeneration of a particulate filter can be permanently realized which absorbs the soot particles that occur more frequently.
  • the second phase position b corresponding to the second closing time 37b symbolizes an optimized compromise for the particle content, the nitrogen oxide content and the fuel consumption. Since these parameters have an increased importance for the environment, they are also referred to below as environmental parameters. It is clear that in addition to the three mentioned environmental parameters, further environmental parameters can also be influenced with the aid of the phase position of the additional valve 28.
  • the internal combustion engine 1 can be operated with the aid of a control device 46 shown in simplified form in FIG. 1 so that a desired exhaust gas recirculation rate is set by actuating the respective additional valve 28 with the aid of the control device 46.
  • the context explained in FIG. 5 shows that only the associated phase position for the additional valve 28 has to be set in order to set the desired exhaust gas recirculation rate in accordance with the course 43.
  • the target variable of this regulation or setting is then the exhaust gas recirculation rate. This may be appropriate for certain operating conditions or operating points of the internal combustion engine 1.
  • the here presented internal combustion engine 1 or the operating method presented here takes a different route.
  • Target variable for the operation of the respective additional valve 28 is not the exhaust gas recirculation rate, but at least one of the environmental parameters of the internal combustion engine 1 mentioned above by way of example. can be provided, the operation of the respective additional valve 28 or adjust its phase position in the respective operating point so that there is a minimum for the nitrogen oxide content. This corresponds in FIG. 5 to the first phase position a. It may also be desirable to keep the particulate content in the exhaust gas below a predetermined threshold. According to Fig. 5, a different phase position for the respective additional valve 28 is then set. Likewise, it may be desirable to realize a certain reduction in fuel consumption, which according to FIG. 5 again requires a different timing for the closing time 37 of the respective additional valve 28, that is to say a different phase position.
  • actuation or the phase position of the respective additional valve 28 is set for the respective current operating point in such a way that an optimum compromise is established for at least two of the environmental parameters.
  • a compromise setting is indicated by the second phase position b.
  • the associated exhaust gas recirculation rate then arises automatically.
  • phase position of the respective additional valve 28 can be realized, for example, by operating the associated drive 30 for a short time at increased or reduced speed in order to realize a corresponding supply or overrun for the phase position of the valve member 32 relative to the crankshaft 34.
  • higher-level phase adjuster can be provided, which can change the angular position between rotary drive 30 and drive shaft 32, thereby varying the phase position.
  • the respective additional valve 28 is unsteady.
  • the adaptation of the phase angle can be carried out dynamically, ie during operation of the internal combustion engine 1.
  • the adjustment of the phase position can be carried out very quickly, ie within a very short time. For example.
  • FIG. 6 shows in a diagram the relationship between nitrogen oxide content NOx (abscissa) and fuel consumption and particle content PM (ordinate) during steady-state operation of internal combustion engine 1.
  • the curves 47 and 48 are entered here without the use of additional valve 28 with a broken line , Obviously, a reduction of the nitrogen oxide values inevitably leads to an increased fuel consumption. At the same time the particle load increases. With a solid line, however, the gradients 47 'and 48' are registered, which can be realized when the respective additional valve 28 is actuated with a corresponding phase position. It can be seen that the nitrogen oxide emission can be reduced without increasing the fuel consumption. At the same time, the increase in the particle content can be reduced.
  • injection parameters such. B. injection timing and injection quantity and the number of individual injections, varies, whereby a significant reduction of nitrogen oxide emissions is feasible.
  • a correspondingly adapted actuation of the respective additional valve 28 takes place.
  • FIG. 7 illustrates the relationship between an exhaust gas temperature T A b g (ordinate) and the phase position (abscissa) shown in FIG. 7 with phase SLV is designated. Accordingly, a curve 49 indicates the dependence of the exhaust gas temperature on the phase position of the respective additional valve 28, assuming the same or constant operating points. An arrow 50 indicates a temperature increase, which can be realized in the exhaust gas by setting a corresponding phase position on the respective additional valve 28. For example.
  • a temperature increase of about 50 ° or more can be realized without a significant increase in fuel consumption sets to hold the load.
  • This procedure can also be carried out in normal operation of the internal combustion engine 1 when the respective operating point leads to exhaust gas temperatures which are too small for the proper operation of exhaust gas purification devices (particle filters, catalysts).
  • FIG. 8 illustrates an unsteady operation of the internal combustion engine 1, in which a transition from a first operating point BP1 via a second operating point BP2 to a third operating point BP3 takes place.
  • the operating points BP differ by load Md and speed n.
  • the operating state change takes place with a comparatively small load change speed and / or with a small speed change speed.
  • the respective rate of change remains below a predetermined limit.
  • the consecutive operating points BP1 to BP3 are considered quasi-stationary as a succession of stationary operating points.
  • the optimum for the respective environmental parameter or the respectively optimum compromise for at least two of these environmental parameters is set for each individual stationary operating point.
  • Fig. 9 also shows a transient operation of the internal combustion engine 1, in which, however, the load change speed and the speed change speed are comparatively large and thus above the aforementioned predetermined limit value.
  • load change or speed change is also referred to as load jump or speed jump.
  • the actuation of the respective additional valve 28 can be temporarily adjusted so that sets a minimum exhaust gas recirculation rate for this operating state jump.
  • the combustion chambers 4 is a maximum air mass available, which supports the light-emitting behavior of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust gas recirculation system 13 can be equipped with at least one check valve 51, as shown in FIG. 1, with the aid of which a return path 52 guided in the respective return line 14 can be blocked. Since there is no pressure compensation via the exhaust gas recirculation, more air is available again.
  • the respective additional valve 28 is actuated or adjusted in terms of its phase position so that sets a minimum value for the nitrogen oxide content.
  • At least one of the turbines 22, 25 can be designed variably in accordance with FIG. 1.
  • turbines with wastegate or with variable turbine geometry 53 can be used.
  • only the second turbine 25 is equipped with such a variable turbine geometry 53.
  • the variable turbine geometry 53 makes it possible to change the inflow cross section of the respective turbine 25. In this way, the respective turbine 25 can be kept at an increased rotational speed with a reduced exhaust gas mass flow, so that in the case of a load request the so-called turbo lag, ie the reaction time of the turbine To reduce exhaust gas turbocharger 19.
  • variable turbines nengeometrie 21 of the dynamic pressure in the exhaust gas upstream of the respective turbine 25 are increased, whereby the pressure gradient between branch point 15 and discharge point 16 for the effectiveness of the exhaust gas recirculation system 13 can be increased.
  • the exhaust backpressure, against which the internal combustion engine 1 is working increases.
  • fuel consumption increases at the same engine load.
  • a method of operation is now preferred that actuates the variable turbine geometry 53 for setting a comparatively large inflow cross section even at operating points with reduced load and / or at reduced speed.
  • the exhaust back pressure decreases.
  • a reduction of the exhaust gas recirculation rate which is usually associated with this can be compensated by a corresponding phase position of the respective additional valve 28 according to FIG. 5.
  • a sufficiently large exhaust gas recirculation rate can be realized even without a backpressure increase via the variable turbine geometry 53.
  • the fuel consumption of the internal combustion engine 1 can be reduced.
  • FIG. 1 shows by way of example the first turbine 22 with a wastegate
  • a supercharged internal combustion engine 1 which has at least one turbine 22 in the exhaust system 10, which is equipped with a wastegate 54 for controlling a bypass 55 at least partially bypassing the turbine 22, the respective one can be used at operating points with reduced load and / or speed Wastegate 54 are actuated so that sets a relatively large flow cross-section for the bypass 55, while the at least one additional valve 28 is actuated so that the desired exhaust gas recirculation rate is established.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei die Brennkraftmaschine (1) eine Frischluftanlage (7) zum Zuführen von Frischluft zu Brennräumen (4) der Brennkraftmaschine (1) aufweist, wobei die Brennkraftmaschine (1) eine Abgasanlage (10) zum Wegführen von Abgas von den Brennräumen (4) aufweist, wobei die Brennkraftmaschine (1) eine Abgasrückführanlage (13) zum Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage (10) in die Frischluftanlage (7) aufweist, und wobei die Brennkraftmaschine (1) zumindest ein in der Frischluftanlage (7) angeordnetes Zusatzventil (28) aufweist, das stromauf von den Brennräumen (4) zugeordneten Einlassventilen (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) im aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) so eingestellt wird, dass sich für einen Umweltparameter der Brennkraftmaschine (1), wie z. B. Stickoxidgehalt im Abgas, Partikelgehalt im Abgas und Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine (1), ein Optimum einstellt oder dass sich für wenigstens zwei dieser Umweltparameter ein optimaler Kompromiss einstellt.

Description

Brennkraftmaschine und zugehöriges Betriebsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine.
Moderne Brennkraftmaschinen, die bei Kraftfahrzeugen und insbesondere bei Nutzfahrzeugen, wie Baustellenfahrzeuge, Off-Road-Fahrzeugen und dergleichen, zum Einsatz kommen, umfassen üblicherweise eine Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft zu Brennräumen der Brennkraftmaschine sowie eine Abgasanlage zum Wegführen von Abgas von den Brennräumen. Bekannt ist außerdem die Ausstattung von Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführanlage, die Abgas aus der Abgasanlage in die Frischluftanlage rückführt, was zur Reduzierung von Schadstoffemissionen genutzt wird. Ferner ist es, insbesondere für Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen, bekannt, in der Frischluftanlage zumindest ein Zusatzventil stromauf von den Brennräumen zugeordneten Einlassventilen anzuordnen. Diese Zusatzventile können z. B. zur Realisierung einer Impulsaufladung genutzt werden. Des Weiteren ist es grundsätzlich möglich, eine gewünschte Abgasrückführrate, die mit Hilfe der Abgasrückführanlage realisiert werden soll, durch entsprechendes Betätigen des wenigstens einen Zusatzventils einzustellen. Hierbei werden strömungsdynamische Effekte in der Frischluftströmung ausgenutzt, um Druckschwingungen zu erzeugen bzw. zu verstärken. Dabei lassen sich diese Druckschwingungen hinsichtlich ihrer Amplituden so positionieren, dass über negative Druckamplituden das Druckgefälle zwischen einem mit der Abgasanlage verbundenen Einlass der Abgasrückführanlage und einem mit der Frischluftanlage verbundenen Auslass der Abgasrückführanlage eingestellt werden kann. Über dieses Druckgefälle lässt sich die Abgasrückführrate einstellen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art bzw. für eine Brennkraftmaschine eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass umweltrelevante Parameter, wie z. B. Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch, verbessert sind.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das wenigstens eine Zusatzventil dazu zu nutzen, in einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine einen Umweltparameter der Brennkraftmaschine zu optimieren bzw. für wenigstens zwei Umweltparameter der Brennkraftmaschine einen optimierten Kompro- miss einzustellen. Bspw. kann für den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, der durch die aktuelle Lastanforderung und durch die aktuelle Drehzahl definiert ist, ein minimaler Kraftstoffverbrauch oder ein minimaler Stickoxidgehalt im Abgas oder ein minimaler Partikelgehalt im Abgas eingestellt werden. Ebenso lassen sich Kompromisse für zumindest zwei derartige Umweltparameter realisieren. Die Vorteile liegen auf der Hand.
Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass durch Variieren einer Phasenlage des wenigstens einen Zusatzventils relativ zur Rotation einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. relativ zu deren Kurbelwellenwinkel, unterschiedliche und von der Phasenlage abhängige Auswirkungen zumindest auf die genannten Umweltparameter vorliegen. Es hat sich also gezeigt, dass die Variation der Phasenlage des wenigstens einen Zusatzventils nicht nur einen Einfluss auf die Ab- gasrückführrate hat, sondern auch auf andere Parameter, nämlich insbesondere zumindest auf die vorstehend genannten drei Umweltparameter. Wichtig ist dabei die Erkenntnis, dass die einzelnen Parameter deutlich unterschiedliche Abhängigkeiten von der jeweiligen Phasenlage des wenigstens einen Zusatzventils besitzen. Bspw. fällt ein Minimum für den Stickoxidgehalt mit einem Maximum für den Partikelgehalt zusammen, während der Kraftstoffverbrauch bei dieser Phasenlage weitgehend neutral ist. Da die einzelnen Verläufe der Abhängigkeiten zwischen der Phasenlage und dem jeweiligen Umweltparameter außerdem a- symmetrisch sind, können nun Kompromisse zwischen wenigstens zwei Parametern gefunden werden, die sich bspw. durch einen signifikant reduzierten Kraftstoffverbrauch bei deutlich reduziertem Stickoxidgehalt und nur mäßig ansteigendem Partikelgehalt auszeichnen. An diesem Beispiel fällt zwar ein etwas erhöhter Partikelgehalt an, der jedoch in modernen Abgasanlagen beherrschbar ist.
Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen und Betriebsverfahren, bei denen eine Abgasrückführrate nicht mit derartigen Zusatzventilen, sondern z. B. über eine Staudruckerhöhung in der Abgasanlage stromab einer Abzweigstelle, in der ein Einlass der Abgasrückführanlage von der Abgasanlage abzweigt, realisiert wird, wird mittels entsprechender Versuche und/oder Berechnungen ein Kennfeld erzeugt, das den einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine jeweils eine Abgasrückführrate zuordnet, die einen optimalen Kompromiss der relevanten Umweltparameter zur Folge hat. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nun nicht einfach dieses für die Abgasrückführrate relevante Kennfeld übernommen, um in den einzelnen Betriebspunkten mit Hilfe einer entsprechenden Ansteuerung des wenigstens einen Zusatzventils die jeweilige Abgasrückführrate gemäß dem Kennfeld einzustellen, vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise über die Betätigung bzw. über die Einstellung der Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils die Abgasrückführrate nicht direkt eingestellt, vielmehr erfolgt über die Betätigung bzw. Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils eine gezielte Einstellung bzw. Optimierung der Umweltparameter. Da jedoch die Beta- tigung bzw. Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils auch die Abgasrückführrate beeinflusst, erfolgt bei dieser Vorgehensweise auch indirekt eine Einstellung der Abgasrückführrate, die in Verbindung mit den dynamischen Effekten des jeweiligen Zusatzventils letztlich für die Einstellung der genannten Umweltparameter verantwortlich ist.
Da die Erfindung somit von einer konventionellen Vorgehensweise zum Einstellen einer Abgasrückführrate abweicht, lassen sich signifikant verbesserte Umweltparameter realisieren.
Das jeweilige Zusatzventil ist entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform so ausgestaltet, dass es bei seiner Betätigung einen zu den Brennräumen führenden Frischluftpfad der Frischluftanlage abwechselnd öffnet und sperrt. Es handelt sich also nicht um ein Proportionalventil, mit dessen Hilfe unterschiedliche Öffnungsweiten für den durchströmbaren Querschnitt stationär einstellbar sind, sondern um ein Ventil, das über seine Schaltfrequenz, also über seine Öffnungszeit bzw. über die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Schließstellungen den Frischluftstrom im Frischluftpfad beeinflusst. Hierdurch lassen sich dynamische Strömungseffekte, wie z. B. Druckschwingungen, verstärken bzw. erzeugen.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher das jeweilige Zusatzventil so ausgestaltet ist, dass es bei einer stationären Betätigung den Frischluftpfad mit einer konstanten Korrelation zur Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, also mit einer konstanten Korrelation zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle öffnet und sperrt. Zum Einstellen der Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils kann nun eine zwischen dem jeweiligen Zusatzventil und der Kurbelwelle bzw. deren Kurbelwellenwinkel vorliegende Phasenlage eingestellt werden. Bspw. kann die Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils bzgl. des Kurbel- wellenwinkels (KWW) so verstellt werden, dass ein Schließzeitpunkt des Zusatzventils in einem Bereich von 0° KWW bis z. B. 240° KWW frei verschiebbar ist. Bei 0° KWW liegt der Schnittpunkt zwischen einem in der Endphase seiner Schließbewegung befindlichen Auslassventil und einem in der Anfangsphase seiner öffnungsbewegung befindlichen Einlassventil des relevanten Brennraums. Diese Vorgehensweise vereinfacht die Ansteuerung bzw. Betätigung des jeweiligen Zusatzventils, da lediglich die Phasenlage adaptiert werden muss, während die Schaltfrequenz stets die gleiche Korrelation bzw. Proportionalität zur Drehzahl der Kurbelwelle besitzt, also synchron zur Drehzahl der Kurbelwelle in der gleichen Korrelation zunimmt und abnimmt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer Anordnung von zwei Zusatzventilen,
Fig. 3 eine Ansicht wie in Fig. 2, jedoch bei einem einzelnen Zusatzventil,
Fig. 4 ein stark vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung einer
Phasenverschiebung zwischen einem Zusatzventil und einer Kurbelwelle,
Fig. 5 ein stark vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen einer Phasenverschiebung des Zusatzventils und mehreren Parametern der Brennkraftmaschine,
Fig. 6 ein vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen zwei Umweltparametern in einem stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine,
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen der Phasenlage des Zusatzventils und einem weiteren Parameter Brennkraftmaschine in einem stationären Betriebspunkt,
Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines transienten Betriebszustands bei einer langsamen oder kleinen Veränderung,
Fig. 9 ein Diagramm wie in Fig. 8, jedoch bei einer schnellen oder großen
Veränderung.
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 , wie sie bei Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen kann, z. B. einen Motorblock 2, der mehrere Zylinder 3 enthält, die jeweils einen Brennraum 4 umschließen und in denen ein nicht näher bezeichneter Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Im Beispiel sind rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit genau sechs derartige Zylinder 3 in Reihe angeordnet. Jedem Brennraum 4 sind Gaswechselventile, nämlich Einlassventile 5 und Auslassventile 6 zugeordnet, die im Motorblock 2 angeordnet sind. Im Beispiel ist je Brennraum 4 ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 vorgesehen. Es ist klar, dass auch zwei oder mehr Einlassventile 5 bzw. zwei oder mehr Auslassventile 6 vorgesehen sein können. Die Brennkraft- maschine 1 dient bevorzugt zur Verwendung als Fahrzeugantrieb für Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen, und zwar zweckmäßig in schweren Nutzfahrzeugen, wie z. B. Baustellenfahrzeugen und Off-Road-Fahrzeugen.
Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Frischluftanlage 7 auf, die zur Zuführung von Frischluft zu den Brennräumen 4 dient. Hierzu weist die Frischluftanlage 7 eine Frischluftleitung 8 auf, die einen Frischluftpfad 9 enthält, der in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist. Außerdem ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 10 ausgestattet, die dazu dient, Abgas von den Brennräumen 4 wegzuführen. Sie besitzt hierzu eine Abgasleitung 11 , die einen Abgaspfad 12 enthält, der durch Pfeile angedeutet ist. Außerdem ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Ab- gasrückführanlage 13 ausgestattet, mit der es möglich ist, Abgas von der Abgasanlage 10 zur Frischluftanlage 7 zurückzuführen. Hierzu besitzt die Abgasrück- führanlage 13 zumindest eine Rückführleitung 14. Im Beispiel sind zwei derartige Rückführleitungen 14 vorgesehen. Jede Rückführleitung 14 führt von einer Abzweigstelle 15 zu einer Einleitstelle 16. An der jeweiligen Abzweigstelle 15 ist die jeweilige Rückführleitung 14 eingangsseitig mit der Abgasleitung 11 verbunden. An der jeweiligen Einleitstelle 16 ist die jeweilige Rückführleitung 14 mit der Frischluftleitung 8 verbunden.
Im Beispiel ist die Frischluftanlage 7 zumindest in einem an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt zweiflutig ausgestaltet, sodass die Frischluftleitung 8 in diesem Bereich eine erste Flut 8' zur Versorgung der ersten drei Brennräume 4 und eine zweite Flut 8" aufweist, die zur Versorgung der zweiten drei Brennräume 4 dient. Analog dazu ist auch die Abgasanlage 10 zumindest in einem an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt zweiflutig ausgestaltet, sodass die Abgasleitung 11 zumindest in einem an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt eine den ersten Brennräumen 4 zugeordnete erste Flut 11 ' und eine den zweiten Brennräumen 4 zugeordnete zweite Flut 11 " aufweist. Die beiden Abgas- rückführleitungen 14 sind dementsprechend jeweils einer dieser Fluten 8', 8" bzw. 11 ', 11 " zugeordnet. Im Beispiel enthält jede Rückführleitung 14 einen Ab- gasrückführkühler 17.
Ferner ist die Brennkraftmaschine 1 im dargestellten Beispiel aufgeladen, sodass zumindest eine Ladeeinrichtung vorgesehen ist. Im Beispiel sind zwei Ladeeinrichtungen vorgesehen, nämlich eine erste Ladeeinrichtung 18 und eine zweite Ladeeinrichtung 19. Beide Ladeeinrichtungen 18, 19 sind im Beispiel als Abgasturbolader ausgestaltet. Dementsprechend umfasst die erste Ladeeinrichtung 18 einen ersten Verdichter 20, der in der Frischluftleitung 8 angeordnet ist und der über eine erste Antriebswelle 21 mit einer ersten Turbine 22 antriebsverbunden ist, die in der Abgasleitung 11 angeordnet ist. Die zweite Ladeeinrichtung 19 um- fasst dementsprechend einen zweiten Verdichter 23, der in der Frischluftleitung 8 angeordnet ist und über eine zweite Antriebswelle 24 mit einer zweiten Turbine
25 antriebsverbunden ist, die in der Abgasleitung 11 angeordnet ist. Dabei ist der zweite Verdichter 23 stromab des ersten Verdichters 20 angeordnet, während die zweite Turbine 25 stromauf der ersten Turbine 22 angeordnet ist. Zwischen dem ersten Verdichter 20 und dem zweiten Verdichter 23 ist ein erster Ladeluftkühler
26 in der Frischluftleitung 8 angeordnet. Zwischen dem zweiten Verdichter 23 und den Brennräumen 4 ist ein zweiter Ladeluftkühler 27 in der Frischluftleitung 8 angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit wenigstens einem Zusatzventil 28 ausgestattet. Im Beispiel der Fig. 1 sind zwei derartige Zusatzventile 28 vorgesehen. Das jeweilige Zusatzventil 28 ist in der Frischluftanlage 7 stromauf der Einlassventile 5 angeordnet. Im Beispiel ist in den beiden Fluten 8', 8" jeweils ein derartiges Zusatzventil 8 angeordnet. Jedes Zusatzventil 28 ist dadurch drei Brennräumen 4 zugeordnet. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Zusatzventileinrichtung 29, die zwei Zusatzventile 28 aufweist, die über einen gemeinsamen Antrieb 30 betätigt werden können. Erkennbar umfasst die Zusatzventileinrichtung 29 zwei gasdicht voneinander getrennte Leitungsabschnitte 31 , mit denen die Zusatzventileinrichtung 29 in die beiden Fluten 8', 8" der Frischluftanlage 7 eingebunden werden kann. Das jeweilige Zusatzventil 28 enthält im jeweils zugeordneten Kanalabschnitt 31 ein Ventilglied 32, das im Beispiel durch eine Klappe gebildet ist, die insbesondere auch als Schmetterlingsklappe bezeichnet werden kann. Die Ventilglieder 32 sind drehfest auf einer gemeinsamen Welle 33 angeordnet, die mit dem Antrieb 30 antriebsverbunden ist. Der Antrieb 30 ist bevorzugt dazu ausgestaltet, die Ventilglieder 32 rotieren zu lassen. Die Drehzahl des Antriebs 30 bzw. der Ventilglieder 32 entspricht bevorzugt genau der halben Drehzahl einer in Fig. 1 angedeuteten Kurbelwelle 34 der Brennkraftmaschine 1.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer derartigen Zusatzventileinrichtung 29, die abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform nur ein einziges Zusatzventil 28 aufweist. Dementsprechend umfasst diese Ausführungsform auch nur einen Kanalabschnitt 31 und ein Ventilglied 32, das im Kanalabschnitt 31 angeordnet ist und mit dem Antrieb 30 über die Welle 33 antriebsverbunden ist.
Die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen veranschaulichen Beispiele für geeignete Zusatzventile 28, die bei ihrer Betätigung den jeweiligen Frischluftpfad 9 abwechselnd öffnen und sperren können. Bspw. rotiert das jeweilige Ventilglied 32 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 , wobei es mit jeder vollständigen Umdrehung zweimal eine Schließstellung durchfährt, während es zwischen zwei aufeinander folgenden Schließstellungen offen ist. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Schließstellungen oder Schließpha- sen definiert eine Schaltfrequenz des jeweiligen Zusatzventils 28. Zweckmäßig ist das jeweilige Zusatzventil 28 synchron zur Kurbelwelle 34 betätigt, sodass zumindest bei einer stationären Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28 eine konstante Korrelation zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 34 und der Schaltfrequenz des jeweiligen Zusatzventils 28 vorliegt.
Die vorstehend genannte Korrelation zwischen Kurbelwelle 34 und Zusatzventil 28 wird mit Bezug auf das Diagramm der Fig. 4 näher erläutert. In diesem Diagramm zeigt die Abszisse den Kurbelwellenwinkel in Winkelgraden, kurz 0KWW. Die Ordinate zeigt den Hub der Gaswechselventile. In das Diagramm sind eingetragen eine Auslassventilerhebungskurve 35 sowie eine Einlassventilerhebungs- kurve 36. Die beiden Erhebungskurven 35,36 überschneiden sich in einem kleinen Bereich. Der zugehörige Schnittpunkt ist gezielt bei 0° KWW angeordnet und entspricht im Übrigen einem oberen Totpunkt einer Kolben beweg ung des dem betrachteten Brennraum zugeordneten Kolbens.
Ferner enthält das Diagramm der Fig. 4 in Form einer vertikalen Linie einen Schließzeitpunkt 37 des dem betrachteten Brennraum 4 zugeordneten Zusatzventils 28, das in Fig. 4 ebenfalls zur Veranschaulichung symbolisch dargestellt ist. Dieser Schließzeitpunkt 37 befindet sich bei einer stationären Betätigung des Zusatzventils 28 immer in der gleichen Relation zur Kurbelwelle 34, steht also stets beim gleichen Kurbelwellenwinkel. Im Beispiel befindet sich der Schließzeitpunkt 37 bei etwa 150° KWW. Die relative Lage des Schließzeitpunkts 37 relativ zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 34 definiert eine Phasenlage zwischen dem Zusatzventil 28 und der Kurbelwelle 34. Entsprechend einem Doppelpfeil 38 ist diese Phasenlage verstellbar. Der Schließzeitpunkt 37 ist sowohl in Richtung kleinerer Kurbelwellenwinkel als auch in Richtung größerer Kurbelwellenwinkel verstellbar, um so die Phasenlage zwischen Zusatzventil 28 und Kurbelwelle 34 zu verändern. Ein Pfeil 39 deutet an, dass der Schließzeitpunkt 37 bspw. von ei- ner Ausgangsphasenlage, bei welcher der Schließzeitpunkt 37 bei 0° KWW liegt, also deckungsgleich zur Ordinate verläuft, bis zur gezeigten Position verschiebbar ist, bei welcher der Schließzeitpunkt 37 bei etwa 150° KWW liegt. Es ist klar, dass grundsätzlich auch größere Kurbelwellenwinkel für den Schließzeitpunkt 37 einstellbar sind, z. B. kann eine Verstellbarkeit bis 240° KWW vorgesehen sein.
Im Diagramm der Fig. 5 ist auf der Abszisse die Phasenlage für den Schließzeitpunkt 37 in 0KWW bzw. in 0CA wiedergegeben. Die Ordinate enthält übereinander die Werte für einen Partikelgehalt (PM) der Abgase, die Werte für einen Stickoxidgehalt (NOx)der Abgase, die Werte für einen Kraftstoffverbrauch (BSFC) der Brennkraftmaschine sowie die Werte für eine Abgasrückführrate (EGR). Dementsprechend enthält das Diagramm der Fig. 5 einen Verlauf 40, der die Abhängigkeit des Partikelgehalts im Abgas von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht, einen Verlauf 41 , der die Abhängigkeit des Stickoxidgehalts von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht, einen Verlauf 42, der die Abhängigkeit des Kraftstoffverbrauchs von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht, und einen Verlauf 43, der die Abhängigkeit der Abgasrückführrate von der Phasenlage des Zusatzventils 28 veranschaulicht. Diese Zusammenhänge gelten dabei in einem stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 , der durch eine stationäre Last und eine Stationäre Drehzahl definiert ist.
Erkennbar sind die einzelnen Verläufe 40 bis 43 völlig unterschiedlich und teilweise gegenläufig. Beispielhaft ist im Diagramm der Fig. 5 für den Schließzeitpunkt 37 eine erste Phasenlage a sowie eine zweite Phasenlage b eingetragen. Der jeweilige Schließzeitpunkt wird dementsprechend mit 37a bzw. 37b bezeichnet. Beim ersten Schließzeitpunkt 37a besitzt der Partikelgehalt gemäß dem Verlauf 40 ein Maximum 44, während der Stickoxidgehalt gemäß dem Verlauf 41 dort ein Minimum 45 besitzt. Gleichzeitig stellt sich für den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu einer mit unterbrochener Linie eingetragenen Basis gemäß dem Verlauf 42 quasi keine Veränderung ein, während die Abgasrückführrate gemäß dem Verlauf 43 einen vergleichsweise hohen Wert nimmt. Eine derartige Phasenlage kann für einen Volllastbetrieb bzw. für hohe Drehzahlen von Vorteil sein, wenn aufgrund der hohen Abgastemperaturen permanent eine ausreichende Regeneration eines Partikelfilters realisiert werden kann, der die vermehrt auftretenden Russpartikel aufnimmt.
Die zweite Phasenlage b entsprechend dem zweiten Schließzeitpunkt 37b symbolisiert einen optimierten Kompromiss für den Partikelgehalt, den Stickoxidgehalt und den Kraftstoffverbrauch. Da die genannten Parameter für die Umwelt eine erhöhte Bedeutung haben, werden sie im Folgenden auch als Umweltparameter bezeichnet. Es ist klar, dass neben den drei genannten Umweltparametern auch weitere Umweltparameter mit Hilfe der Phasenlage des Zusatzventils 28 beeinflussbar sein können.
Grundsätzlich kann die Brennkraftmaschine 1 mit Hilfe einer in Fig. 1 vereinfacht dargestellten Steuereinrichtung 46 so betrieben werden, dass eine gewünschte Abgasrückführrate dadurch eingestellt wird, dass mit Hilfe der Steuereinrichtung 46 das jeweilige Zusatzventil 28 entsprechend betätigt wird. Der in Fig. 5 erläuterte Zusammenhang zeigt, dass zum Einstellen der gewünschten Abgasrückführrate entsprechend dem Verlauf 43 lediglich die zugehörige Phasenlage für das Zusatzventil 28 eingestellt werden muss. Zielgröße dieser Regelung oder Einstellung ist dann die Abgasrückführrate. Dies kann für bestimmte Betriebszustände bzw. Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 1 zweckmäßig sein. Die hier vorgestellte Brennkraftmaschine 1 bzw. das hier vorgestellte Betriebsverfahren geht jedoch einen anderen Weg. Zielgröße für die Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28 ist hier nicht die Abgasrückführrate, sondern zumindest einer der vorstehend exemplarisch genannten Umweltparameter der Brennkraftmaschine 1. Bspw. kann vorgesehen sein, die Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28 bzw. dessen Phasenlage im jeweiligen Betriebspunkt so einzustellen, dass sich für den Stickoxidgehalt ein Minimum ergibt. Dies entspricht in Fig. 5 der ersten Phasenlage a. Ebenso kann erwünscht sein, den Partikelgehalt im Abgas unter einem vorbestimmten Grenzwert zu halten. Gemäß Fig. 5 ist dann eine andere Phasenlage für das jeweilige Zusatzventil 28 einzustellen. Ebenso kann erwünscht sein, eine bestimmte Reduzierung für den Kraftstoffverbrauch zu realisieren, was entsprechend Fig. 5 wiederum ein anderes Timing für den Schließzeitpunkt 37 des jeweiligen Zusatzventils 28, also eine andere Phasenlage, erfordert. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher für den jeweiligen aktuellen Betriebspunkt die Betätigung bzw. die Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 so eingestellt wird, dass sich für zumindest zwei der Umweltparameter ein optimaler Kompromiss einstellt. In Fig. 5 ist eine derartige Kompromisseinstellung durch die zweite Phasenlage b angedeutet. Die zugehörige Ab- gasrückführrate ergibt sich dann von selbst.
Eine derartige Verschiebung der Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 kann bspw. dadurch realisiert werden, dass der zugehörige Antrieb 30 kurzzeitig mit erhöhter oder reduzierter Geschwindigkeit betrieben wird, um einen entsprechenden Vorlauf oder Nachlauf für die Phasenlage des Ventilglieds 32 relativ zur Kurbelwelle 34 zu realisieren. Ebenso können übergeordnete Phasensteller vorgesehen sein, welche die Winkellage zwischen Drehantrieb 30 und Antriebswelle 32 verändern können, um dadurch die Phasenlage zu variieren. Während der Veränderung der Phasenlage arbeitet das jeweilige Zusatzventil 28 instationär. Die Adaption der Phasenlage kann dabei dynamisch durchgeführt werden, also während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1. Dabei kann die Anpassung der Phasenlage sehr schnell, also innerhalb sehr kurzer Zeit durchgeführt werden. Bspw. kann eine Phasenänderung in einer Zeit durchgeführt werden, die kleiner ist als 360° KWW, also innerhalb einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle 34 liegt. Fig. 6 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Stickoxidgehalt NOx (Abszisse) und Kraftstoffverbrauch be sowie Partikelgehalt PM (Ordinate) bei einem stationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1. Mit unterbrochener Linie sind dabei die Verläufe 47 bzw. 48 ohne die Verwendung des Zusatzventils 28 eingetragen. Erkennbar führt eine Reduzierung der Stickoxidwerte zwangsläufig zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Gleichzeitig steigt die Partikelbelastung an. Mit durchgezogener Linie sind dagegen die Verläufe 47' bzw. 48' eingetragen, die sich realisieren lassen, wenn das jeweilige Zusatzventil 28 mit entsprechender Phasenlage betätigt wird. Erkennbar lässt sich die Stickoxidemission reduzieren, ohne dass dadurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird. Gleichzeitig kann dabei die Zunahme des Partikelgehalts reduziert werden.
Dieser Zusammenhang kann, insbesondere außerhalb eines Volllastbereichs der Brennkraftmaschine 1 , zur Absenkung der Schadstoffemissionen genutzt werden. Um im jeweiligen Betriebspunkt die Motorlast und die Drehzahl konstant halten zu können, werden Einspritzparameter, wie z. B. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge sowie die Anzahl der einzelnen Injektionen, variiert, wodurch eine signifikante Reduzierung der Stickoxidemissionen realisierbar ist. Damit die mit den adaptierten Einspritzparametern einhergehende Zunahme der Partikelemission sowie des Kraftstoffverbrauchs reduziert bzw. eliminiert werden kann, erfolgt eine entsprechend adaptierte Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 oder ein Schwachlastbetrieb bei geringen Drehzahlen vorgesehen sein, die Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28 so einzustellen, dass dadurch eine Erhöhung der Abgastemperatur realisiert werden kann. Fig. 7 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen einer Abgastemperatur TAbg (Ordinate) und der Phasenlage (Abszisse), die in Fig. 7 mit Phase SLV bezeichnet ist. Dementsprechend gibt ein Verlauf 49 die Abhängigkeit der Abgas- temperatur von der Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 an, wobei von gleichen bzw. konstanten Betriebspunkten ausgegangen wird. Ein Pfeil 50 deutet eine Temperaturanhebung an, die im Abgas durch Einstellen einer entsprechenden Phasenlage am jeweiligen Zusatzventil 28 realisierbar ist. Bspw. kann hierdurch eine Temperaturerhöhung von etwa 50° oder mehr realisiert werden, ohne dass sich eine signifikante Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs einstellt, um die Last zu halten. Diese Vorgehensweise ist auch im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 durchführbar, wenn der jeweilige Betriebspunkt zu Abgastemperaturen führt, die für einen ordnungsgemäßen Betrieb von Abgasreinigungseinrichtungen (Partikelfilter, Katalysatoren) zu klein sind.
Fig. 8 veranschaulicht einen instationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1 , bei dem ein Übergang von einem ersten Betriebspunkt BP1 über einen zweiten Betriebspunkt BP2 zu einem dritten Betriebspunkt BP3 erfolgt. Die Betriebspunkte BP unterscheiden sich durch Last Md und Drehzahl n. Im Beispiel der Fig. 8 erfolgt die Betriebszustandsänderung mit einer vergleichsweise kleinen Laständerungsgeschwindigkeit und/oder mit einer kleinen Drehzahländerungsgeschwindigkeit. Die jeweilige Änderungsgeschwindigkeit bleibt dabei unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes. In diesem Fall werden die aufeinander folgenden Betriebspunkte BP1 bis BP3 quasistationär als eine Abfolge stationärer Betriebspunkte betrachtet. Dabei wird für jeden einzelnen stationären Betriebspunkt jeweils das Optimum für den jeweiligen Umweltparameter bzw. der jeweils optimale Kompromiss für wenigstens zwei dieser Umweltparameter eingestellt. Dies ist mit Hilfe der hier verwendeten Zusatzventile 28 möglich, da diese extrem dynamisch arbeiten und innerhalb einer Umdrehung der Kurbelwelle 34 eine neue Phasenlage einstellen können. Fig. 9 zeigt ebenfalls einen instationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1 , bei dem jedoch die Laständerungsgeschwindigkeit bzw. die Drehzahländerungsgeschwindigkeit vergleichsweise groß ist und somit oberhalb des vorgenannten vorbestimmten Grenzwerts liegt. Eine derartige Laständerung bzw. Drehzahländerung wird auch als Lastsprung oder Drehzahlsprung bezeichnet. In diesem Fall kann vorübergehend die Betätigung des jeweiligen Zusatzventils 28 so eingestellt werden, dass sich für diesen Betriebszustandssprung eine minimale Abgasrück- führrate einstellt. In der Folge steht den Brennräumen 4 eine maximale Luftmasse zur Verfügung, was das Anspringverhalten der Brennkraftmaschine 1 unterstütz. Um das Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine 1 zusätzlich steigern zu können, kann die Abgasrückführanlage 13 entsprechend Fig. 1 mit wenigstens einem Sperrventil 51 ausgestattet sein, mit dessen Hilfe ein in der jeweiligen Rückführleitung 14 geführter, durch Pfeile angedeuteter Rückführpfad 52 gesperrt werden kann. Da somit kein Druckausgleich über die Abgasrückführung erfolgt, steht wieder mehr Luft zur Verfügung. Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, das jeweilige Zusatzventil 28 optimal so anzusteuern, dass sich eine Impulsaufladung der Brennräume 4 ergibt. Hierbei werden strömungsdynamische Effekte ausgenutzt, um die Luftmasse in den Brennräumen 4 zu vergrößern.
Durch die mit Hilfe einer entsprechenden Ansteuerung des jeweiligen Zusatzventils 28 reduzierte Abgasrückführrate sowie ggf. in Verbindung mit den zusätzlich genannten, optionalen Maßnahmen, kann ein sog. Russstoß, der bei einem derartigen Lastsprung auftritt, wenn die Brennkraftmaschine 1 herkömmlich betrieben wird, reduziert werden. Bezugnehmend auf Fig. 9 kann somit eine sprungartige Bethebszustandsänderung vom ersten Betriebspunkt BP1 zum zweiten Betriebspunkt BP2 mit hoher Dynamik realisiert werden, ohne dass dabei der sonst übliche Russstoß entsteht. Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise soll bevorzugt dann angewandt werden, wenn ein Lastsprung bzw. Drehzahlsprung, ausgehend von einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 , durchgeführt werden soll. Befindet sich die Brennkraftmaschine 1 jedoch schon in einem oberen Lastbereich, der noch einen Drehzahlsprung zulässt, und/oder in einem oberen Drehzahlbereich, der noch einen Lastsprung zulässt, kann das nachfolgend beschriebene Betriebsverfahren bevorzugt werden. In diesem Fall wird das jeweilige Zusatzventil 28 so betätigt bzw. hinsichtlich seiner Phasenlage so eingestellt, dass sich für den Stickoxidgehalt ein Minimalwert einstellt. Zwar kommt es bei einer derartigen Einstellung der Phasenlage entsprechend dem Diagramm der Fig. 5 zu einem starken Anstieg der Partikelemission, diese kann jedoch im Volllastbereich ohne weiteres toleriert werden, da moderne Abgasbehandlungssysteme mit Partikelfiltern arbeiten, die anfallenden Partikel aufnehmen. Da ist eine rasche Zusetzung des Partikelfilters nicht zu erwarten, denn bei diesem hohen Lastbereich bzw. Drehzahlbereich herrschen in dem Abgas vergleichsweise hohe Temperaturen, sodass permanent eine passive Regeneration des Partikelfilters, insbesondere durch Abbrand der Russbeladung, erfolgt.
Zumindest eine der Turbinen 22,25, kann entsprechend Fig. 1 variabel ausgestaltet sein. Dabei sind Turbinen mit Wastegate oder mit variabler Turbinengeometrie 53 einsetzbar. Im Beispiel ist nur die zweite Turbine 25 mit einer solchen variablen Turbinengeometrie 53 ausgestattet. Die variable Turbinengeometrie 53 ermöglicht eine Veränderung des Einströmquerschnitts der jeweiligen Turbine 25. Auf diese Weise kann zum einen bei einem reduzierten Abgasmassenstrom die jeweilige Turbine 25 auf einer erhöhten Drehzahl gehalten werden, um so im Falle einer Lastanforderung das sog. Turboloch, also die Reaktionszeit des Abgasturboladers 19 zu reduzieren. Zum anderen kann mit Hilfe der variablen Turbi- nengeometrie 21 der Staudruck im Abgas stromauf der jeweiligen Turbine 25 vergrößert werden, wodurch das Druckgefälle zwischen Abzweigstelle 15 und Einleitstelle 16 für die Effektivität der Abgasrückführanlage 13 erhöht werden kann. Hierbei steigt jedoch der Abgasgegendruck, gegen den die Brennkraftmaschine 1 arbeitet. In der Folge nimmt bei gleicher Motorlast der Kraftstoffverbrauch zu.
Bevorzugt wird nun ein Betriebsverfahren, das auch in Betriebspunkten mit reduzierter Last und/oder mit reduzierter Drehzahl die variable Turbinengeometrie 53 zum Einstellen eines vergleichsweise großen Einströmquerschnitts betätigt. In der Folge nimmt der Abgasgegendruck ab. Eine damit üblicherweise einhergehende Reduzierung der Abgasrückführrate kann durch eine entsprechende Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils 28 entsprechend Fig. 5 ausgeglichen werden. In der Folge kann im jeweiligen Betriebspunkt eine hinreichend große Abgasrückführrate auch ohne Gegendruckerhöhung über die variable Turbinengeometrie 53 realisiert werden. Somit kann der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 1 gesenkt werden.
Für Turbinen mit Wastegate gelten analoge Zusammenhänge, da der durch das Wastegate beeinflusste Abgasgegendruck die Abgasrückführrate steuert bzw. beeinflusst. In Fig. 1 ist exemplarisch die erste Turbine 22 mit einem Wastegate
54 zum Steuern eines die Turbine 22 zumindest teilweise umgehenden Bypasses
55 ausgestattet. Durch Schließen des Wastegates 54 steigt der Abgasdruck und die Abgasrückführrate nimmt zu.
Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 , die in der Abgasanlage 10 zumindest eine Turbine 22 aufweist, die mit einem Wastegate 54 zum Steuern eines die Turbine 22 zumindest teilweise umgehenden Bypasses 55 ausgestattet ist, kann in Betriebspunkten mit reduzierter Last und/oder Drehzahl das jeweilige Wastegate 54 so betätigt werden, dass sich ein relativ großer Strömungsquer- schnitt für den Bypass 55 einstellt, während das wenigstens eine Zusatzventil 28 so betätigt wird, dass sich die gewünschte Abgasrückführrate einstellt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1 ), insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
- wobei die Brennkraftmaschine (1 ) eine Frischluftanlage (7) zum Zuführen von Frischluft zu Brennräumen (4) der Brennkraftmaschine (1 ) aufweist,
- wobei die Brennkraftmaschine (1 ) eine Abgasanlage (10) zum Wegführen von Abgas von den Brennräumen (4) aufweist,
- wobei die Brennkraftmaschine (1 ) eine Abgasrückführanlage (13) zum Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage (10) in die Frischluftanlage (7) aufweist,
- wobei die Brennkraftmaschine (1 ) zumindest ein in der Frischluftanlage (7) angeordnetes Zusatzventil (28) aufweist, das stromauf von den Brennräumen (4) zugeordneten Einlassventilen (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) im aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1 ) so eingestellt wird, dass sich für einen Umweltparameter der Brennkraftmaschine (1 ), wie z. B. Stickoxidgehalt im Abgas, Partikelgehalt im Abgas und Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine (1 ), ein Optimum einstellt oder dass sich für wenigstens zwei dieser Umweltparameter ein optimaler Kompromiss einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zusatzventil (28) bei seiner Betätigung einen Frischluft zu den Brennräumen (4) führenden Frischluftpfad (9) der Frischluftanlage (7) abwechselnd öffnet und sperrt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zusatzventil (28) bei einer stationären Betätigung den Frischluftpfad (9) mit einer konstanten Korrelation zur Drehzahl einer Kurbelwelle (34) der Brennkraftmaschine (1 ) öffnet und sperrt, wobei zum Einstellen der Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) eine Phasenlage zwischen dem wenigstens einen Zusatzventil (28) und der Kurbelwelle (34) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass Einspritzparameter zum Einbringen von Kraftstoff in die Brennräume (4) so adaptiert werden, dass sich eine Reduzierung des Stickoxidgehalts einstellt,
- dass die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) so eingestellt wird, dass eine mit den adaptierten Einspritzparametern einhergehende Zunahme des Partikelgehalts und/oder des Kraftstoffverbrauchs reduziert oder eliminiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine (1 ) oder beim Betrieb mit zu geringer Abgastemperatur für die Abgasnachbehandlung die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) so eingestellt wird, dass sich eine Erhöhung einer Abgastemperatur einstellt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass in einem instationären Betrieb der Brenn kraftmasch ine (1 ), bei dem eine Laständerungsgeschwindigkeit und/oder eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes bleibt, die aufeinander folgenden Betriebspunkte als Abfolge stationärer Betriebspunkte betrachtet werden, für die jeweils das Optimum des jeweiligen Umweltparameters oder der optimale Kom- promiss der jeweils wenigstens zwei Umweltparameter eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine (1 ), bei dem eine Laständerungsgeschwindigkeit und/oder eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt, die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) so eingestellt wird, dass sich eine minimale Abgasrück- führrate einstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest ein Sperrventil (51 ) der Abgasrückführanlage (13) zum Sperren eines das Abgas von der Abgasanlage (10) zur Frischluftanlage (7) führenden Rückführpfads (52) angesteuert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) zusätzlich so eingestellt wird, dass sich eine Impulsaufladung einstellt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem instationären Betheb der Brenn kraftmasch ine (1 ), bei dem eine Laständerungsgeschwindigkeit und/oder eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt und bei dem bereits ein oberer Lastbereich und/oder ein oberer Drehzahlbereich vorliegt, die Betätigung des wenigstens einen Zusatzventils (28) so eingestellt wird, dass der Stickoxidgehalt minimiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1 ), die in der Abgasanlage (10) zumindest eine Turbine (25) mit variabler Turbinengeometrie (53) aufweist, in Betriebspunkten mit reduzierter Last und/oder Drehzahl die variable Turbinengeometrie (53) so betätigt wird, dass sich ein relativ großer Einströmquerschnitt für die Turbine (25) einstellt, während das wenigstens eine Zusatzventil (28) so betätigt wird, dass sich die gewünschte Abgasrückführrate einstellt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1 ), die in der Abgasanlage (10) zumindest eine Turbine (22, 25) aufweist, die mit einem Wastegate (54) zum Steuern eines die Turbine (22) zumindest teilweise umgehenden Bypasses (55) ausgestattet ist, in Betriebspunkten mit reduzierter Last und/oder Drehzahl das jeweilige Wastegate (54) so betätigt wird, dass sich ein relativ großer Strömungsquerschnitt für den Bypass (55) einstellt, während das wenigstens eine Zusatzventil (28) so betätigt wird, dass sich die gewünschte Abgasrückführrate einstellt.
13. Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
- mit einer Frischluftanlage (7) zum Zuführen von Frischluft zu Brennräumen (4) der Brennkraftmaschine (1 ), - mit einer Abgasanlage (10) zum Wegführen von Abgas von den Brennräumen
(4),
- mit einer Abgasrückführanlage (13) zum Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage (10) in die Frischluftanlage (7),
- mit mindestens einem Zusatzventil (28), das in der Frischluftanlage (7) stromauf von den Brennräumen (4) zugeordneten Einlassventilen (5) angeordnet ist,
- mit einer Steuereinrichtung (46) zum Betreiben der Brennkraftmaschine (1 ) und deren Komponenten, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie die Brennkraftmaschine (1 ) zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 betreibt.
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