WO2010149563A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation system and at least one exhaust gas turbocharger, wherein exhaust gas on separate, separately controllable flow paths on the one hand the Abgastur- turbine of the exhaust gas turbocharger and on the other hand the exhaust gas recirculation system is supplied, and wherein the flow path to the exhaust gas turbine via at least a first valve and the flow path to the exhaust gas recirculation system is controlled via at least a second valve.
  • WO 2008/090 273 A2 discloses an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, in which an exhaust gas collector emanates a first exhaust gas line to an exhaust gas turbine for driving a compressor and a second exhaust gas line for returning exhaust gas into the intake collector.
  • an exhaust gas recirculation valve is arranged, which is actuated synchronously with the rotation of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas mass flow is not continuously distributed in this way between the exhaust turbine and exhaust gas recirculation system, but clocked in time. In this way, the high-energy pressure surge when opening the exhaust valves (blow-down) is used for the supply of the exhaust gas turbine, the less energy-containing portion of the Ausschiebephase for exhaust gas recirculation.
  • DE 199 06 463 C1 discloses a supercharged internal combustion engine with exhaust gas recirculation in a charge air line, from which the cylinders of the engine be fed with compressed charge air.
  • the exhaust pressure in the exhaust line of the engine is on average lower than the boost pressure.
  • an additional exhaust valve which is independently controlled by the gas exchange valves of the cylinder and which is in communication with the charge air line exhaust passage during the exhaust stroke the cylinder opens as needed.
  • AT 003 761 Ul discloses an internal combustion engine with at least one combustion chamber, with an inlet system having at least one intake manifold, with an exhaust system having at least one exhaust system and an exhaust gas recirculation system for recirculating exhaust gases into the intake system, wherein the exhaust gas recirculation system has at least one exhaust gas recirculation line having an exhaust gas recirculation valve.
  • the exhaust gas recirculation line branches off directly from the combustion chamber, the exhaust gas recirculation valve being arranged in the area of the branch. Due to the small exhaust gas recirculation valves compared to the intake and exhaust valves, high pressure exhaust gases can be taken directly from the combustion chamber at the end of the high pressure process.
  • the object of the invention is to reduce the pollutant emissions of the internal combustion engine in the simplest possible way with good fuel efficiency.
  • the closing time of the first valve is varied as a function of at least one engine operating parameter, wherein preferably the opening time of the second valve is varied as a function of at least one engine operating parameter.
  • the exhaust path to the exhaust turbine can be completely closed, if necessary.
  • the exhaust gas recirculation rate can be set independently of the prevailing pressure levels in all operating states.
  • the closing time of the first valve and the opening time of the second valve are varied synchronously.
  • the first and second valves open overlapping, wherein the overlapping area can be kept constant with variation of the closing time of the first valve and the opening time of the second valve.
  • the distribution of the exhaust gas mass flow between the exhaust gas turbine and the exhaust gas recirculation system can be influenced.
  • the opening time of the first valve and the closing time of the second valve is fixed.
  • the opening time of the second valve is preferably varied between about 180 ° and 320 ° crank angle.
  • the latest closing time of the first valve is equal to the fixed closing time of the second valve.
  • the earliest closing time of the first valve results from the earliest opening time of the second valve and the valve overlap.
  • the valve overlap is a free parameter which is adapted to the requirements of the respective engine or the respective operating strategy.
  • Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 is a Ventilhub- crank angle diagram.
  • the engine 1 shown schematically in FIG. 1 with a plurality of cylinders 2 has an intake system 3 with an intake manifold 4 and an exhaust system 5 with an exhaust manifold 6, an exhaust gas turbocharger 7 with an exhaust turbine 7a and a compressor 7b, and an exhaust gas recirculation system 8.
  • Each cylinder 2 is connected to the exhaust gas turbine 7b via a first valve 9 and a first flow path 10, in which the exhaust gas collector 6 is arranged. the. Furthermore, each cylinder 2 is connected via a second valve 11 to the exhaust gas recirculation system 8.
  • the first and second valves 9, 11 phases offset from each other actuated the first valves 9 are each opened in a high pressure phase of the exhaust stroke of the internal combustion engine 1 and the second valves 11 at a later date, for example in the range of the lower dead center. This can be done for example in a low-pressure phase in the second half of the exhaust stroke.
  • the valve lift H 9 , Hu of the first valve 9 and the second valve 11 is plotted on the crank angle KW.
  • the opening time O 9 of the first valve and the shooting time Sn of the second valve 11 is fixed.
  • the closing time S 9 of the first valve 9 and the opening time On of the second valve 11 can be varied, as shown by the dashed and dash-dotted lines for different lifting curves H 9 ', Hn'; H 9 ", Hn" is indicated.
  • the open positions of the first and second valves 9, 11 in this case have a valve overlap region 12.
  • the times for the closing of the first valve 9 and for the opening of the second valve 11 are varied synchronously, so that the valve overlap 12 of the two valves 9, 11 is always the same.
  • the time for the opening of the second valve 11 can be varied in each case between 180 ° and 320 ° crank angle KW.
  • the latest closing time of the first valve 9 is equal to the - fixed - closing time of the second valve 11.
  • the earliest closing time of the first valve 9 results from the earliest opening time of the second valve 11 and the valve overlap 12th
  • the valve overlap is a free parameter which is adapted to the requirements of the respective engine or the respective operating strategy.
  • the pressure surge at the beginning of the exhaust stroke is not used to generate the exhaust gas recirculation rate but to increase the power available at the exhaust gas turbine 7b.
  • the inventive method is suitable for all supercharged internal combustion engines, but especially for diesel internal combustion engines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasrückführsystem (8) und zumindest einem Abgasturbolader (7), wobei Abgas auf getrennten, separat steuerbaren Strömungswegen der Abgasturbine (7b) des Abgasturboladers (7) und dem Abgasrückführsystem (8) zugeführt wird, und wobei der Strömungsweg zur Abgasturbine (7b) über zumindest ein erstes Ventil (9) und der Strömungsweg zum Abgasrückführsystem (8) über zumindest ein zweites Ventil (11) gesteuert wird. Um auf möglichst einfache Weise bei guter Kraftstoffausnutzung den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine (1) zu vermindern, ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Ventil (9, 11) phasenversetzt betätigt werden, wobei das erste Ventil (9) während einer Hochdruckphase des Auslasstaktes und das zweite Ventil (11) während einer Niederdruckphase des Auslasstaktes öffnet.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem und zumindest einem Abgasturbolader, wobei Abgas auf getrennten, separat steuerbaren Strömungswegen einerseits der Abgastur- bine des Abgasturboladers und andererseits dem Abgasrückführsystem zugeführt wird, und wobei der Strömungsweg zur Abgasturbine über zumindest ein erstes Ventil und der Strömungsweg zum Abgasrückführsystem über zumindest ein zweites Ventil gesteuert wird.
Die Erfüllung zukünftiger Abgasgesetzgebungen, wie EU 6 oder TIER 4 erfordern außerordentlich hohe Abgasrückführraten bei gleichzeitig hohem Kraftstoff- Luftverhältnis. Um diese Ladungszustände zu erreichen, insbesondere um die Ab- gasrückführrate durch ein Druckgefälle transportieren zu können, ist der Einsatz von sehr kleinen Turbinen erforderlich. Diese werden für niedrige Drehzahlen bzw. Teillast ausgelegt, was dazu führt, dass sich bei Nennleistung zu hohe Abgasrückführraten einstellen. Um diese zu kontrolieren muss die Abgasrückführlei- tung gedrosselt werden, was in Folge zu einer sehr hohen Ladungswechselarbeit durch das Druckgefälle zwischen Luft- und Abgasseite führt.
Aus der WO 2008/090 273 A2 ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader bekannt, wobei von einem Abgassammler ein erster Abgasstrang zu einer Abgasturbine zum Antrieb eines Verdichters und ein zweiter Abgasstrang zur Rückführung von Abgas in den Einlasssammler ausgeht. Im zweiten Abgasstrang ist ein Abgasrückführventil angeordnet, welches synchron mit der Umdrehung der Brennkraftmaschine betätigt wird. Der Abgasmassenstrom wird auf diese Weise nicht kontinuierlich zwischen Abgasturbine und Abgasrückführsystem verteilt, sondern zeitlich getaktet. Auf diese Weise wird der energiereiche Druckstoß beim Öffnen der Auslassventile (Blow-Down) für die Versorgung der Abgasturbine genutzt, der weniger energiehältige Anteil der Ausschiebephase für die Abgasrückführung. Die Drosselung des Abgasrückführstromes entfällt, die Ladungswechselarbeit ist somit theoretisch null. Der Nachteil dieser Methode ist, dass in der Phase, in der das Abgasrückführventil geöffnet ist, auch immer der Pfad zur Abgasturbine geöffnet ist. Es kann somit in manchen Betriebspunkten zu ungünstigen Druck/Strömungsverhältnissen kommen, wodurch die transportierte Abgas- rückführmenge zu gering ist. Das beschriebene System bietet keine Möglichkeit in diesem Fall weiteren Einfluss auszuüben.
Weiters ist aus der DE 199 06 463 Cl ein aufgeladener Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung in eine Ladeluftleitung bekannt, aus der die Zylinder des Mo- tors mit verdichteter Ladeluft gespeist werden. Der Abgasdruck in der Auslassleitung des Motors ist dabei durchschnittlich niedriger als der Ladedruck. Um die Einstellung hoher Abgasrückführungsraten bei hohem Wirkungsgrad des Motors zu ermöglichen, ist als Steuerventil für die Abgasrückführung einen oder mehreren Zylindern ein zusätzliches Auslassventil zugeordnet, welches unabhängig von den Gaswechselventilen des Zylinders ansteuerbar ist und welches einen mit der Ladeluftleitung in Verbindung stehenden Abgaskanal während des Auslasstaktes des Zylinders bedarfsweise öffnet.
Weiters ist aus der AT 003 761 Ul eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, mit einem zumindest einen Einlasssammler aufweisenden Einlasssystem, mit einem zumindest einem Abgasstrang aufweisenden Auslasssystem und einem Abgasrückführsystem zur Rückführung von Abgasen in das Einlasssystem bekannt, wobei das Abgasrückführsystem mindestens eine Abgas- rückführleitung mit einem Abgasrückführventil aufweist. Die Abgasrückführlei- tung zweigt dabei direkt vom Brennraum ab, wobei das Abgasrückführventil im Bereich der Abzweigung angeordnet ist. Durch die im Vergleich zu den Ein- und Auslassventilen kleinen Abgasrückführventile können unter hohem Druck stehende Abgase direkt aus dem Brennraum am Ende des Hockdrucksprozesses entnommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei guter Kraftstoffausnutzung den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine zu vermindern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das erste und das zweite Ventil phasenversetzt betätigt werden, wobei das erste Ventil zumindest überwiegend während einer Hochdruckphase des Auslasstaktes und das zweite Ventil zumindest überwiegend während einer Niederdruckphase des Auslasstaktes öffnet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schließzeitpunkt des ersten Ventils in Abhängigkeit von zumindest einem Motorbetriebsparameter variiert wird, wobei vorzugsweise der Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils in Abhängigkeit von zumindest einem Motorbetriebsparameter variiert wird.
Durch die getrennt ansteuerbaren Ventile für den Strömungsweg zur Abgastur- bine und zum Abgasrückführsystem kann der Abgaspfad zur Abgasturbine zur Gänze geschlossen werden, wenn dies notwenig ist. Dadurch kann in allen Be- triebszuständen die Abgasrückführrate unabhängig von den herrschenden Druckniveaus eingestellt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schließzeitpunkt des ersten Ventils und der Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils synchron variiert werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Schließzeitpunkt des ersten Ventils und den Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils unabhängig voneinander zu variiert. Dadurch kann eine besonders flexible Ansteuerung der beiden Strömungswege und somit eine maximale Kraftstoffausnutzung bei minimalem Schadstoffausstoß erzielt werden.
Bevorzugt öffnen erstes und zweites Ventil überlappend, wobei der Überlappungsbereich bei Variation des Schließzeitpunktes des ersten Ventils und des Öffnungszeitpunktes des zweiten Ventils konstant gehalten werden kann.
Durch das Variieren der gekoppelten Steuerzeiten des ersten Ventils und des zweiten Ventils kann die Aufteilung des Abgasmassenstromes zwischen der Ab- gasturbine und dem Abgasrückführsystem beeinflusst werden.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Öffnungszeitpunkt des ersten Ventils und der Schließzeitpunkt des zweiten Ventils fixiert wird.
Der Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils wird bevorzugt zwischen etwa 180° und 320° Kurbelwinkel variiert.
Der späteste Schließzeitpunkt des ersten Ventils ist gleich dem fixen Schließzeitpunkt des zweiten Ventils.
Der früheste Schließzeitpunkt des ersten Ventils ergibt sich aus dem frühesten Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils und der Ventilüberschneidung.
Die Ventilüberschneidung ist dabei ein freier Parameter, der an die Erfordernisse des jeweiligen Motors bzw. der jeweiligen Betriebsstrategie angepasst wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 ein Ventilhub- Kurbelwinkeldiagramm.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2 weist ein Einlasssystem 3 mit einem Einlasssammler 4 und ein Auslasssystem 5 mit einem Auslasssammler 6, einen Abgasturbolader 7 mit einer Abgas- turbine 7a und einem Verdichter 7b, sowie ein Abgasrückführsystem 8 auf.
Jeder Zylinder 2 ist über ein erstes Ventil 9 und einen ersten Strömungsweg 10, in welchen der Abgassammler 6 angeordnet ist, mit der Abgasturbine 7b verbun- den. Weiters ist jeder Zylinder 2 über ein zweites Ventil 11 mit dem Abgasrück- führsystem 8 verbunden.
Dabei werden die ersten und zweiten Ventile 9, 11 phasen versetzt zueinander betätigt, wobei die ersten Ventilen 9 jeweils in einer Hochdruckphase des Auslasstaktes der Brennkraftmaschine 1 und die zweiten Ventile 11 zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise im Bereich des unteren Todpunktes geöffnet werden. Dies kann beispielsweise in einer Niederdruckphase in der zweiten Hälfte des Auslasstaktes erfolgen.
In Fig. 2 ist der Ventilhub H9, Hu des ersten Ventils 9 und des zweiten Ventils 11 über den Kurbelwinkel KW aufgetragen. Der Öffnungszeitpunkt O9 des ersten Ventils und der Schießzeitpunkt Sn des zweiten Ventils 11 ist dabei fixiert. Der Schließzeitpunkt S9 des ersten Ventils 9 und der Öffnungszeitpunkt On des zweiten Ventils 11 kann variiert werden, wie durch die strichlierten und strichpunktierten Linien für verschiedene Hubkurven H9', Hn'; H9", Hn" angedeutet ist. Die Öffnungsstellungen der ersten und zweiten Ventile 9, 11 weisen dabei einen Ventilüberschneidungsbereich 12 auf. Die Zeitpunkte für das Schließen des ersten Ventils 9 und für das Öffnen des zweiten Ventils 11 werden synchron variiert, so dass die Ventilüberschneidung 12 der beiden Ventile 9, 11 immer gleich ist. Durch das Variieren der gekoppelten Steuerzeiten kann die Aufteilung des Abgasmassenstromes zwischen der Abgasturbine 7b und dem Abgasrückführ- system 8 beeinflusst werden.
Der Zeitpunkt für das Öffnen des zweiten Ventils 11 kann jeweils zwischen 180° und 320° Kurbelwinkel KW variiert werden. Der späteste Schließzeitpunkt des ersten Ventils 9 ist gleich dem - fixen - Schließzeitpunkt des zweiten Ventils 11. Der früheste Schließzeitpunkt des ersten Ventils 9 ergibt sich aus dem frühesten Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils 11 und der Ventilüberschneidung 12.
Die Ventilüberschneidung ist dabei ein freier Parameter, der an die Erfordernisse des jeweiligen Motors bzw. der jeweiligen Betriebsstrategie angepasst wird.
Mit dem beschriebenen Verfahren wird der Druckstoß zu Beginn des Auslasstaktes nicht zur Generierung der Abgasrückführrate, sondern zur Erhöhung der an der Abgasturbine 7b verfügbaren Leistung genutzt. Dabei wird der Abgasmassenstrom mit Hilfe der ersten und zweiten Ventile 9, 11, welche zum Ladungs- wechselzyklus der Brennkraftmaschine 1 synchron und dabei variabel sind, kontinuierlich und alternierend zwischen Abgasturbine 7b und Abgasrückführsystem 8 aufgeteilt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle aufgeladenen Brennkraftmaschinen, insbesondere aber für Dieselbrennkraftmaschinen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgas- rückführsystem (8) und zumindest einem Abgasturbolader (7), wobei Abgas auf getrennten, separat steuerbaren Strömungswegen einerseits der Ab- gasturbine (7a) des Abgasturboladers (7) und andererseits dem Abgas- rückführsystem (8) zugeführt wird, und wobei der Strömungsweg zur Ab- gasturbine (7b) über zumindest ein erstes Ventil (9) und der Strömungsweg zum Abgasrückführsystem (8) über zumindest ein zweites Ventil (11) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Ventil (9, 11) phasenversetzt betätigt werden, wobei das erste Ventil (9) zumindest überwiegend während einer Hochdruckphase des Auslasstaktes und das zweite Ventil (11) zumindest überwiegend während einer Niederdruckphase des Auslasstaktes öffnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt des ersten Ventils (9) in Abhängigkeit von zumindest einem Motorbetriebsparameter variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt des zweiten Ventils (11) in Abhängigkeit von zumindest einem Motorbetriebsparameter variiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (S9) des ersten Ventils (9) und der Öffnungszeitpunkt (Ou) des zweiten Ventils (11) synchron variiert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (S9) des ersten Ventils (9) und der Öffnungszeitpunkt (Ou) des zweiten Ventils (11) unabhängig voneinander variiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Ventil (9, 11) überlappend öffnen, wobei vorzugsweise der Überlappungsbereich (12) bei Variation der Schließzeit (S9) des ersten Ventils (9) und der Öffnungszeit (On) des zweiten Ventils (11) konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt (O9) des ersten Ventils (9) und der Schließzeitpunkt (Sn) des zweiten Ventils (11) fixiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt (Ou) des zweiten Ventils (11) in einem Kurbelwinkelbereich (KW) zwischen etwa 180° und 320° variiert wird.
2010 06 17 Fu/Dh
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