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DE102019113741A1 - Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung und mit elektromotorischer oder mechanischer Aufladung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung und mit elektromotorischer oder mechanischer Aufladung Download PDF

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DE102019113741A1
DE102019113741A1 DE102019113741.1A DE102019113741A DE102019113741A1 DE 102019113741 A1 DE102019113741 A1 DE 102019113741A1 DE 102019113741 A DE102019113741 A DE 102019113741A DE 102019113741 A1 DE102019113741 A1 DE 102019113741A1
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DE
Germany
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internal combustion
combustion engine
exhaust
fresh gas
exhaust gas
Prior art date
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Pending
Application number
DE102019113741.1A
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English (en)
Inventor
Ingo Blei
Johannes Bunkus
Stephan Kellner
Christian Heimermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Abstract

Es ist eine Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor 1, der einen Brennraum 4 ausbildet, mit einem Frischgasstrang 5 zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor 1 und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 integrierenden Abgasstrang 9 vorgesehen, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum 4 mittels eines dem Brennraum 4 zugeordneten Auslassventils 12 steuerbar ist und wobei das Auslassventil 12 mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung 13 betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils 12 während des Ausstoßtakts veränderbar ist. Weiterhin ist ein in den Frischgasstrang 5 integrierter Frischgasverdichter 6 vorgesehen, der mittels eines Elektromotors 7 oder mittels des Verbrennungsmotors 1 antreibbar ist. Temporär, während eines Heizbetriebs der Brennkraftmaschine wird zur Erzielung einer relativ hohen Temperatur des aus dem Brennraum 4 ausgebrachten Abgases einerseits die während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors 1 erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils 12 im Vergleich zu einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kleiner eingestellt und andererseits das Frischgas zumindest zeitweise mittels des Frischgasverdichters 6 aufgrund einer von dem Elektromotor 7 oder von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugten Antriebsleistung verdichtet. Dadurch kann in besonders schneller Weise ein Aufwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 erreicht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum und in den Abgasstrang mittels mindestens eines dem Brennraum zugeordneten Auslassventils steuerbar ist, wobei das Auslassventil mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors veränderbar ist.
  • Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannt. Dort ist ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine offenbart, bei dem nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein einem Brennraum eines Viertakt-Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeordnetes Auslassventil mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb relativ kleinen Ventilöffnung betätigt wird. Dadurch wird die Ladungswechselarbeit erhöht und damit Abgas über das entsprechend geöffnete Auslassventil mit einer relativ hohen Temperatur in einen Abgasstrang abgeführt, wodurch das Abgas ein möglichst schnelles Erwärmen einer in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung bewirken kann.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine anzugeben, die sich insbesondere nach einem Kaltstart durch möglichst geringe Schadstoffemissionen auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 5 und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sowie bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet, mit einem Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierenden Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (und in den Abgasstrang) mittels mindestens eines dem Brennraum zugeordneten Auslassventils steuerbar ist, wobei das Auslassventil mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors mittels dieser die Ventilöffnung des Auslassventils während des Ausstoßtakts veränderbar ist. Insbesondere kann die Ventilöffnung derart veränderbar sein, dass zumindest eine relativ große Ventilöffnung und eine relativ kleine Ventilöffnung (die größer null ist) einstellbar ist. Erfindungsgemäß ist weiterhin ein in den Frischgasstrang integrierter Frischgasverdichter vorgesehen, der mittels eines Elektromotors oder mittels des Verbrennungsmotors antreibbar ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sieht vor, dass temporär, während eines Heizbetriebs der Brennkraftmaschine zur Erzielung einer relativ hohen Temperatur des aus dem Brennraum ausgebrachten Abgases einerseits die während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils im Vergleich zu einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kleiner eingestellt und andererseits das Frischgas zumindest zeitweise mittels des Frischgasverdichters aufgrund einer von dem Elektromotor oder von dem Verbrennungsmotor erzeugten Antriebsleistung verdichtet wird. Die Antriebsleistung für den Frischgasverdichter kann dabei vorzugsweise auch variiert werden.
  • Zur automatisierten Durchführung eines solchen Verfahrens kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine entsprechend eingerichtete Steuerungsvorrichtung aufweisen.
  • Unter einem Antrieb des Frischgasverdichters mittels des Verbrennungsmotors beziehungsweise unter einer Bereitstellung einer entsprechenden Antriebsleistung für den Frischgasverdichter durch den Verbrennungsmotor wird erfindungsgemäß ein mechanischer Antrieb verstanden, so dass einer Abtriebswelle, insbesondere eine Kurbelwelle, des Verbrennungsmotors direkt oder indirekt (z.B. über ein Getriebe), mit einer Antriebswelle des Frischgasverdichters drehmomentübertragend verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch die Kombination der grundsätzlich aus der DE 10 2004 016 386 B4 bekannten Maßnahme zur temporären Erzeugung eines relativ heißen Abgases, die auf einer relativ kleinen Ventilöffnung des Auslassventils während des Ausstoßtakts beruht, einerseits mit einer Aufladung des dem Brennraum zugeführten Frischgases andererseits besonders heißes Abgas erzeugt und demnach in besonders vorteilhafter und insbesondere schneller Weise ein Aufwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere mit dem Ziel, möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu realisieren, bewirkt werden kann. Dies ist darin begründet, dass durch die Verdichtung des Frischgases die Brennraumfüllung erhöht wird, wodurch der Effekt, der durch die relativ kleine Ventilöffnung des Auslassventils während des Ausstoßtakts realisiert wird, infolge einer gesteigerten Zwischenkompression, d.h. infolge des Verdichtens des Abgases zu Beginn des Ausstoßtakts bei noch geschlossenem Auslassventil, verstärkt wird.
  • Als „Kaltstart“ der Brennkraftmaschine wird eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine verstanden, bei der die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Temperatur aufweist, die unterhalb einer Grenztemperatur von 120°C liegt und die insbesondere im Wesentlichen (d.h. ±5°C) der Umgebungstemperatur entsprechen kann.
  • Durch den Vorteil der bedarfsweisen Erzeugung besonders heißen Abgases ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine es, den Betriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine beziehungsweise der Verbrennungsmotor in dem Heizbetrieb betreibbar ist, relativ groß, d.h. größer als bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine, die keinen Frischgasverdichter oder lediglich einen Frischgasverdichter, der Teil eines (nicht auch elektromotorisch antreibbaren) Abgasturboladers ist, auszulegen. Ein relativ großer Betriebsbereich bedeutet dabei, dass die Brennkraftmaschine auch mit relativ hohen Kombinationen aus Last und Drehzahl entsprechend betreibbar ist. Diese Möglichkeit, den Heizbetriebsbereich relativ groß auslegt zu können, ergibt sich dadurch, dass infolge der zusätzlichen Heizwirkung, die durch den Betrieb des Frischgasverdichters während des Heizbetriebs erzielt wird, auch mit einer Ventilöffnung für das Auslassventil während des Ausstoßtakts, die relativ groß (im Vergleich zu einer Ventilöffnung, die für den Heizbetrieb einer Brennkraftmaschine ohne Unterstützung durch den Frischgasverdichter vorgesehen sein könnte) ist, zu betreiben, so dass auch bei relativ hohen Kombinationen aus Drehzahl und Last Temperaturgrenzwerte für das Abgas, die aus Gründen eines Bauteilschutzes und insbesondere Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung definiert sind, nicht überschritten werden. Folglich kann einerseits aufgrund der unterstützenden Wirkung durch den Frischgasverdichter trotz der relativ großen Ventilöffnung des Auslassventils während des Heizbetriebs auch bei niedrigen Kombinationen aus Last und Drehzahl ausreichend heißes Abgas erzeugt werden. Andererseits kann der Heizbetrieb bis zu relativ großen Kombinationen aus Last und Drehzahl beibehalten werden, ohne dass damit eine thermische Überlastung des Abgasstrangs und insbesondere Abgasnachbehandlungseinrichtung einhergehen würde, wenn die unterstützende Heizwirkung durch die Frischgasverdichtung beendet oder zumindest reduziert wird.
  • Die Abgasnachbehandlungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise einen NOx-Speicherkatalysator und/oder einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator umfassen, um eine möglichst vorteilhafte Nachbehandlung des Abgases beziehungsweise um eine möglichst umfassende Reduzierung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe realisieren zu können. Weiterhin bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass der Partikelfilter eine katalytische Beschichtung aufweist, die derart ausgewählt ist, dass diese und damit der Partikelfilter auch als SCR-Katalysator wirksam ist. Ein solcher katalytisch beschichteter Partikelfilter kann dabei als einziger SCR-Katalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise kann jedoch vorgesehen sein, dass ein solcher katalytisch beschichteter Partikelfilter zusätzlich zu einem weiteren SCR-Katalysator vorgesehen ist, wobei dann der katalytisch beschichtete Partikelfilter vorzugsweise stromauf des weiteren SCR-Katalysators (bezüglich der Strömungsrichtung des von dem Verbrennungsmotor kommenden Abgases) in dem Abgasstrang integriert angeordnet ist.
  • Eine vorteilhafte Anordnung der Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann dadurch realisiert sein, dass in Strömungsrichtung des Abgases der NOx-Speicherkatalysator und/oder der Oxidationskatalysator, daran anschließend der (ggf. katalytisch wirksame) Partikelfilter und wiederum daran anschließend der (ggf. weitere) SCR-Katalysator in dem Abgasstrang angeordnet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit elektromotorisch antreibbarem Frischgasverdichter kann vorgesehen sein, dass der Frischgasverdichter Teil eines Abgasturboladers ist, der zudem eine in den Frischgasstrang integrierte Abgasturbine umfasst. Der Abgasturbolader kann dabei weiterhin bevorzugt derart ausgebildet sein, dass der Frischgasverdichter mittels des Elektromotors nur bedarfsweise und demnach auch temporär ausschließlich mittels der Abgasturbine antreibbar ist. Gegebenenfalls kann es dafür sinnvoll sein, den Elektromotor mittels einer Kupplung bedarfsweise an den Läufer der Abgasturbine koppelbar und entkoppelbar auszubilden, um während eines Antriebs des Frischgasverdichters ausschließlich mittels der Abgasturbine zu vermeiden, auch einen Rotor des Elektromotors antreiben zu müssen. Als Läufer eines Abgasturboladers wird erfindungsgemäß eine Bauteileinheit verstanden, die das Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters, das Turbinenlaufrad des Abgasturboladers sowie die diese beiden Komponenten drehmomentübertragend verbindenden Komponenten (insbesondere eine oder mehrere Wellen und gegebenenfalls ein Getriebe) umfasst.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit von dem Verbrennungsmotor antreibbarem Frischgasverdichter kann vorgesehen sein, dass der Frischgasverdichter derart ausgebildet ist, dass dessen Verdichtungsleistung unabhängig von der Abtriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors veränderbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass ein zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle des Frischgasverdichters angeordnetes Getriebe hinsichtlich der Übersetzung veränderbar ist. Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Frischgasverdichter einen Trimmsteller umfasst, wie er grundsätzlich aus der DE 10 2010 026 176 A1 bekannt ist.
  • Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor handeln. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handelt. Der Verbrennungsmotor kann dabei grundsätzlich mit einem beliebigen Kraftstoff, der überwiegend aus Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen besteht, insbesondere mit einem derzeit üblichen Flüssigkraftstoff (d.h. mit Diesel-Kraftstoff oder Benzin) oder mit einem derzeit üblichen (bei Umgebungsbedingungen) gasförmigen Kraftstoff (insbesondere mit Erdgas (CNG), LNG oder LPG) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
  • Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen ausbilden. Ebenso kann bevorzugt vorgesehen sein, dass jedem dieser Brennräume eine Mehrzahl von Auslassventilen zugeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass für sämtliche oder nur einzelne, insbesondere auch für nur ein einziges der jedem Brennraum zugeordneten Auslassventile die Ventilöffnung während des Ausstoßtakts veränderbar ist.
  • Eine Veränderung der Ventilöffnung des Auslassventils kann bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzugsweise durch eine Verschiebung des Öffnungsbeginns während des Ausstoßtakts (vorzugsweise in Kombination mit einer Veränderung der Öffnungsdauer, d.h. das Öffnungsende wird nicht oder in einem anderen Ausmaß als der Öffnungsbeginn verschoben) und/oder durch eine Variation des Öffnungshubs (d.h. des maximalen Öffnungswegs des Auslassventils) realisierbar sein.
  • Vorteilhafterweise kann zur Variation der Ventilöffnung des Auslassventils eine Schaltvorrichtung genutzt werden, die mindestens zwei und vorzugsweise exakt zwei diskrete Schaltstellungen aufweist, die sich hinsichtlich der durch die Ventilbetätigungsvorrichtung bewirkten Ventilöffnung des Auslassventils unterscheiden. Eine solche Schaltvorrichtung kann sich, insbesondere im Vergleich zu einer ebenfalls einsetzbaren Stellvorrichtung, mittels der die Ventilöffnung des Auslassventils stufenlos einstellbar ist, durch eine relativ einfache konstruktive Ausgestaltung auszeichnen.
  • Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Ventilbetätigungsvorrichtung eine zur direkten oder indirekten Betätigung des Auslassventils vorgesehene Nockenwelle umfasst und die Schaltvorrichtung einen hinsichtlich des Übersetzungsverhältnisses schaltbaren Schlepphebel aufweist, der eine Auslenkung durch einen Nocken der Nockenwelle (in unterschiedlichem Ausmaß) auf das Auslassventil überträgt. Ergänzend oder alternativ kann die Schaltvorrichtung auch unterschiedliche Nocken der Nockenwelle umfassen, wobei die unterschiedlichen Nocken alternativ in Wirkverbindung mit dem Auslassventil bringbar sind.
  • Vorzugsweise kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors das Auslassventil zwischen 70°KW vor LW-OT (°KW: Kurbelwellenwinkel) und 50°KW vor LW-OT geöffnet und, weiterhin bevorzugt zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT geschlossen wird. Ebenfalls kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Öffnungshub dabei zwischen 1 mm und 2 mm beträgt. Diese die Ventilöffnung definierenden Werte können dabei insbesondere dann vorgesehen sein, wenn die unterstützende Wirkung durch den Frischgasverdichter während des Heizbetrieb insbesondere dazu dienen soll, besonders heißes Abgas zu erzeugen.
  • Liegt ein Fokus in der Ausnutzung der unterstützenden Wirkung durch den Frischgasverdichter dagegen darin, die Brennkraftmaschine in einem relativ großen Betriebsbereich in dem Heizbetrieb betreiben zu können, wobei gleichzeitig auch bei relativ kleinen Kombinationen aus Last und Drehzahl im Betrieb des Verbrennungsmotors ausreichend heißes Abgas erzeugt wird, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors das Auslassventil zwischen 100°KW vor LW-OT (°KW: Kurbelwellenwinkel) und 70°KW vor LW-OT geöffnet und, weiterhin bevorzugt zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT geschlossen wird. Ebenfalls kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Öffnungshub dabei zwischen 2 mm und 4 mm beträgt.
  • Weiterhin bevorzugt kann bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors das Auslassventil zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT, insbesondere bei 200°KW vor LW-OT, geöffnet und, weiterhin bevorzugt, zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT, insbesondere bei 10°KW vor LW-OT, geschlossen wird. Weiterhin bevorzugt kann für den Normalbetrieb noch vorgesehen sein, dass der Öffnungshub zwischen 8 mm und 10 mm, insbesondere 9 mm, beträgt.
  • Die Angaben der Steuerzeiten können sich auf eine vollständig geschlossene Stellung der Auslassventile oder auf eine Hubschwelle von 1 mm oder 0,5 mm beziehen, ab der von einer wirksamen Öffnung der Auslassventile ausgegangen werden kann. Dabei kann insbesondere eine Hubschwelle von 1 mm bei einem Öffnungshub von mindestens 2 mm und eine Hubschwelle von 0,5 mm bei einem Öffnungshub von weniger als 2 mm angesetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine beziehungsweise der Verbrennungsmotor davon insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
  • Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
    • 1: in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
    • 2: in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
    • 3: in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform;
    • 4: beispielhafte Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (gestrichelte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende Linienführung) eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine gemäß den 1 bis 3 während eines Heizbetriebs;
    • 5: beispielhafte Ventilerhebungskurven für die Einlassventile (gestrichelte Linienführung) und die Auslassventile (durchgehende Linienführung) eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine gemäß der 1 bis 3 während eines Normalbetriebs; und
    • 6: ein beispielhaftes Betriebskennfeld einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
  • Die 1 bis 3 zeigen jeweils in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Viertakt-Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylindern 2 ausgebildet ist. Die Zylinder 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt. Bei dem Frischgas handelt es sich primär um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird und die anschließend über einen Frischgasverdichter 6 geführt wird. Dieser Frischgasverdichter 6 ist bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 mittels eines Elektromotors 7 antreibbar. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 ist der Frischgasverdichter 6 Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 8 umfasst, die in einen Abgasstrang 9 der Brennkraftmaschine integriert ist. Dabei umfasst der Abgasturbolader weiterhin einen Elektromotor 7, über den der dazugehörige Frischgasverdichter 6 ebenfalls bedarfsweise antreibbar ist. Das Antreiben des Frischgasverdichters 6 der Brennkraftmaschine gemäß der 2 kann ausschließlich mittels des Elektromotors 7 oder ausschließlich mittels der Abgasturbine 8 oder in Kombination mittels der Abgasturbine 8 und mittels des Elektromotors 7 erfolgen. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 3 ist der Frischgasverdichter 7 mechanisch, d.h. mittels des Verbrennungsmotors 1, antreibbar (sogenannter Kompressor).
  • Abgas, das bei der Verbrennung von Gemischmengen entstanden ist,, die aus dem Frischgas sowie aus beispielsweise direkt über Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, wird über den Abgasstrang 9 der jeweiligen Brennkraftmaschine abgeführt und durchströmt dabei eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 10. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 erfolgt das Durchströmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 nach dem Durchströmen der Abgasturbine 8. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass zumindest einzelne Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 vor der Abgasturbine 8 durchströmt werden.
  • Jedem der Brennräume 4 sind gemäß den in den 1 bis 3 dargestellten Ausgestaltungsbeispielen zwei Einlassventile 11 und zwei Auslassventile 12 zugeordnet, die über eine Ventilbetätigungsvorrichtung 13, die beispielsweise jeweils eine Nockenwelle für einerseits die Einlassventile 11 und andererseits die Auslassventile 12 umfassen kann, betätigt werden.
  • Im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 werden die Hubkolben 3 aufgrund der Verbrennungsprozesse in den Brennräumen 4 oszillierend zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegt, wobei die Hubkolben 3 abwechselnd einen Ladungswechselhub, der einen Ausstoßtakt sowie einen Ansaugtakt umfasst, und einen Arbeitshub, der einen Verdichtungstakt und einen Arbeitstakt umfasst, durchführen. Die Hubkolben 3 sind über Pleuel (nicht dargestellt) mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden, wobei die oszillierenden Bewegungen der Hubkolben 3 zu einer Rotation der Kurbelwelle führen. In Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel im Ladungswechselhub der einzelnen Hubkolben 3 werden die Einlassventile 11 und die Auslassventile 12 mittels der Ventilbetätigungsvorrichtung 13 zu definierten Ventilsteuerzeiten geöffnet und geschlossen, wie dies in den 4 und 5 gezeigt ist. Mit LW-OT ist dabei der obere Totpunkt der einzelnen Hubkolben 3 während des jeweiligen Ladungswechselhubs gekennzeichnet.
  • Um nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein möglichst schnelles Erreichen der Anspringtemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 oder zumindest von einzelnen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen (insbesondere eines oder mehrerer SCR-Katalysatoren) der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 und damit eine möglichst schnelle Umsetzung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe zu realisieren, ist einerseits vorgesehen, die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart in einem Heizbetrieb zu betreiben, indem gemäß der 4 eines oder beide der jedem der Brennräume 4 zugeordneten Auslassventile 12 mit einer deutlich kleineren Ventilöffnung betätigt werden, als dies gemäß einem Normalbetrieb vorgesehen ist (vgl. 5). Wird während des Heizbetriebs nur eines der Auslassventile 12 je Brennraum 4 mit einer relativ kleinen Ventilöffnung betätigt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das dazugehörige zweite Auslassventil 12 vollständig geschlossen gehalten wird.
  • Die relativ kleine Ventilöffnung des oder der den einzelnen Brennräumen 4 zugeordneten Auslassventile 12 wird gemäß dem Ausgestaltungsbeispiel dadurch realisiert, dass zum einen der Öffnungsbeginn im Vergleich zu dem Normalbetrieb nach spät beziehungsweise näher in Richtung des LW-OT verschoben ist und zum anderen der Öffnungshub verkleinert ist, wohingegen das Öffnungsende im Vergleich zu dem Normalbetrieb gleich ist. Infolge des relativ späten Öffnungsbeginns der Öffnungsbewegungen der Auslassventile 12 erfolgt in dem Ausstoßtakt zunächst noch (bei geschlossenen Auslassventilen 12) eine relativ starke Verdichtung der in den Brennräumen 4 enthaltenen Abgase (Zwischenverdichtung), womit bereits eine Erwärmung dieser Abgase verbunden ist. Werden die Auslassventile 12 dann geöffnet, strömt dieses relativ stark verdichtete Abgas durch die nur mit relativ kleinem Öffnungshub geöffneten Auslassventile 12, woraus hohe Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, die zu einer weiteren Erwärmung des Abgases beitragen. Durch das Öffnen der Auslassventile 12 mit relativ kleinen Ventilöffnungen wird folglich relativ heißes Abgas in den Abgasstrang 9 abgeführt und damit ein möglichst schnelles Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 realisiert.
  • Unterstützt wird die Erzeugung relativ heißen Abgases dadurch, dass während des Heizbetriebs das den Brennräumen 4 des Verbrennungsmotors 1 zuzuführende Frischgas mittels des jeweiligen Frischgasverdichters 6 verdichtet wird, wobei dies bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 auch basierend auf Antriebsleistung, die von dem Elektromotor 7 des Abgasturboladers bereitgestellt wird, erfolgt, weil üblicherweise eine Verdichtung, die ausschließlich auf einer Antriebsleistung der Abgasturbine 8 basiert, in dem Betriebsbereich, in dem ein Heizbetrieb vorgesehen ist, nicht ausreichen würde. Auch würde eine in einem hohen Maße erfolge Ausnutzung von Abgasenthalpie für den Antrieb der Abgasturbine 8 zu einer relevanten Abkühlung des Abgases führen und damit dem Ziel der schnellen Erwärmung von (stromab der Abgasturbine 8 angeordneten) Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 entgegenwirken.
  • Durch eine erfindungsgemäße, elektromotorisch oder mechanisch bewirkte Verdichtung des Frischgases erhöht sich in relevantem Maße die Füllung der Brennräume 4 während des jeweiligen Ansaugtakts, wodurch die Wirkung, die durch das Öffnen der Auslassventile 12 während des jeweiligen Ausstoßtakts mit relativ kleiner Ventilöffnung erzielt wird, infolge einer erhöhten Zwischenkompression verstärkt wird. Dadurch kann nicht nur besonders heißes Abgas während des Heizbetriebs der Brennkraftmaschine erzeugt werden. Auch ermöglicht dieses Vorgehen, denjenigen Betriebsbereich innerhalb des Betriebskennfelds der Brennkraftmaschine, in dem der Verbrennungsmotor 1 und damit die Brennkraftmaschine in dem Heizbetrieb betreibbar ist, zu vergrößern und folglich den Verbrennungsmotor 1 auch dann noch in dem Heizbetrieb betreiben zu können, wenn für diesen ein Betrieb mit relativ großen Kombinationen aus Last und Drehzahl erforderlich ist (beispielsweise aufgrund einer entsprechend großen Fahrantriebsleistung die für ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Kraftfahrzeugs angefordert wird).
  • Die 6 verdeutlicht dies in einem vereinfacht dargestellten Betriebskennfelddiagramm. Darin ist über der Vertikalachse das von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugte effektive Drehmoment Meff als Kennwert der Last und über der Horizontalachse die Drehzahl n, mit der Verbrennungsmotor 1 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine betrieben wird, aufgezeichnet. Begrenzt wird das Betriebskennfeld hinsichtlich des effektiven Drehmoments Meff durch die sogenannte Volllastkennlinie 14 und hinsichtlich der Drehzahl n durch die maximal zulässige Drehzahl nmax des Verbrennungsmotors 1. Der Betriebsbereich 17 innerhalb dieses Betriebskennfelds, in dem der Verbrennungsmotor 1 lediglich in dem Normalbetrieb betreibbar ist, ist in der 6 linksschraffiert dargestellt. Weiterhin sind zwei Betriebsbereiche 18, 19 dargestellt, in denen der Verbrennungsmotor 1 alternativ in dem Heizbetrieb und damit mit relativ kleiner Ventilöffnung im Vergleich zu dem Normalbetrieb betreibbar ist. Ein erster, relativ kleiner Heizbetriebsbereich 18 ist in der 6 rechtsschraffiert dargestellt. Dieser erste Heizbetriebsbereich 18 ist im Vergleich zu einem zweiten, größeren Heizbetriebsbereich 19, der den ersten Heizbetriebsbereich 18 sowie einen kreuzschraffiert dargestellten Erweiterungsbereich umfasst, durch relativ kleine Kombinationen aus Last und Drehzahl n gekennzeichnet. In dem ersten Heizbetriebsbereich 18, der im Vergleich zu dem zweiten Heizbetriebsbereich 19 zudem durch relativ kleine Ventilöffnungen der Auslassventile 12 gekennzeichnet ist, kann durch die Kombination mit der Heizwirkung, die durch die Verdichtung des Frischgases mittels des Frischgasverdichters 6 während des Heizbetriebs erreicht wird, besonders heißes Abgas erzeugt werden. Die größenmäßige Einschränkung dieses ersten Heizbetriebsbereich 18 ergibt sich dann dadurch, dass bereits bei relativ kleinen Kombinationen aus Last und Drehzahl n Abgastemperaturen erreicht werden, die zu einer thermischen Überlastung des Abgasstrangs 9 und insbesondere der darin integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 führen können. Es kann daher vorgesehen sein, die Ventilöffnung während des Heizbetriebs relativ groß (und damit mit einer relativ kleinen Differenz im Vergleich zu dem Normalbetrieb) einzustellen, wodurch der relativ große, zweite Heizbetriebsbereich 19 umsetzbar ist, weil dann noch immer bei relativ kleinen Kombinationen aus Last und Drehzahl n innerhalb dieses zweiten Betriebsbereich 19 infolge der sich aus der Frischgasverdichtung ergebenden, zusätzlichen Heizwirkung ausreichend heißes Abgas bereitgestellt werden kann, während bei relativ hohen Kombinationen aus Last und Drehzahl n innerhalb des zweiten Betriebsbereich 19 durch eine dann nicht mehr oder in verringertem Maße erfolgende Frischgasverdichtung eine thermische Überlastung des Abgasstrangs 9 vermieden wird.
  • Sobald eine ausreichende Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 oder zumindest einzelner Abgasnachbehandlungsvorrichtungen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 erreicht wurde, wird von dem Heizbetrieb zu dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine umgeschaltet, in dem sich gemäß der 5 die für die Auslassventile 12 vorgesehene Öffnungsdauer über den gesamten Ausstoßtakt erstreckt und zudem der Öffnungshub der Auslassventile 12 deutlich größer als in dem Heizbetrieb der Brennkraftmaschine ist. Dies dient dazu, die Ladungswechselarbeit in dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine möglichst zu minimieren, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad und damit den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 1 auswirkt. Der Verbrennungsmotor 1 wird dann, d.h. bei ausreichend heißer Abgasnachbehandlungseinrichtung, in dem gesamten Betriebskennfeld mit Ventilöffnungen gemäß dem Normalbetrieb betrieben.
  • Weiterhin wird von dem Heizbetrieb zu dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine umgeschaltet, obwohl noch keine ausreichende Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 erreicht wurde, wenn der Verbrennungsmotor mit Kombinationen aus Last und Drehzahl n betrieben wird, die außerhalb des Betriebsbereichs liegen, in dem der Verbrennungsmotor 1 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in dem Heizbetrieb betreibbar ist.
  • Die Frischgasstränge der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 3 weisen optional jeweils noch einen Bypass 15 zu dem jeweiligen Frischgasverdichter 6 auf, in den zudem ein Rückschlagventil 16 integriert ist. Diese Bypässe 15 können insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Brennkraftmaschinen zusätzlich zu dem mittels des Elektromotors 7 (vgl. 1) oder mittels des Verbrennungsmotors 1 (vgl. 3) antreibbaren Frischgasverdichter 6 mindestens noch einen weiteren Frischgasverdichter (nicht dargestellt) umfassen, der insbesondere Teil eines Abgasturboladers (insbesondere eines Abgasturboladers ohne Elektromotor) sein kann. Dies ermöglicht, in dem Normalbetrieb eine Verdichtung des Frischgases zumindest zeitweise ausschließlich mittels des mindestens einen weiteren Frischgasverdichters zu bewirken, wobei dann der mittels des Elektromotors 7 (vgl. 1) oder mittels des Verbrennungsmotors 1 (vgl. 3) antreibbare Frischgasverdichter 6 über den dazugehörigen Bypass 15 umgangen werden kann. Dadurch kann vermieden werden, dass das von dem mindestens einen weiteren Verdichter verdichtete Frischgas den deaktivierten Frischgasverdichter 6 durchströmen muss, womit unerwünschte Druckverluste einhergehen würden.
  • Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass während des Normalbetriebs der Frischgasverdichter 6 zur Verdichtung von Frischgas genutzt wird. Sofern bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 3 mindestens ein weiterer Frischgasverdichter vorgesehen sind, kann dies insbesondere für eine temporäre Unterstützung des mindestens einen weiteren Frischgasverdichters, beispielsweise nach einem Lastsprung im Betrieb des Verbrennungsmotors 1, erfolgen.
  • Eine lediglich temporäre, unterstützende Nutzung der Frischgasverdichter 6 bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 3 kann aber auch vorgesehen sein, wenn die Brennkraftmaschine keinen weiteren Frischgasverdichter umfasst. In diesem Fall kann die Brennkraftmaschine immer dann, wenn mittels des dazugehörigen Frischgasverdichters 6 keine Verdichtungsleistung bereitgestellt wird, als Saugmotor betrieben werden. Das Frischgas kann auch dann vorteilhafterweise über den jeweiligen Bypass 15 geführt werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    (Viertakt-)Verbrennungsmotor
    2
    Zylinder
    3
    Hubkolben
    4
    Brennraum
    5
    Frischgasstrang
    6
    Frischgasverdichter
    7
    Elektromotor
    8
    Abgasturbine
    9
    Abgasstrang
    10
    Abgasnachbehandlungseinrichtung
    11
    Einlassventil
    12
    Auslassventil
    13
    Ventilbetätigungsvorrichtung
    14
    Volllastkennlinie
    15
    Bypass
    16
    Rückschlagventil
    17
    Normalbetriebsbereich
    18
    erster Heizbetriebsbereich
    19
    zweiter Heizbetriebsbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004016386 B4 [0002, 0009]
    • DE 102010026176 A1 [0015]

Claims (8)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen Brennraum (4) ausbildet, mit einem Frischgasstrang (5) zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor (1) und mit einem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) integrierenden Abgasstrang (9) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1), wobei ein Ausbringen von Abgas aus dem Brennraum (4) mittels mindestens eines dem Brennraum (4) zugeordneten Auslassventils (12) steuerbar ist, wobei das Auslassventil (12) mittels einer Ventilbetätigungsvorrichtung (13) betätigbar ist, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) die Ventilöffnung des Auslassventils (12) während des Ausstoßtakts veränderbar ist, gekennzeichnet durch einen in den Frischgasstrang (5) integrierten Frischgasverdichter (6), der mittels eines Elektromotors (7) oder mittels des Verbrennungsmotors (1) antreibbar ist.
  2. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) einen NOx-Speicherkatalysator und/oder einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator umfasst.
  3. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischgasverdichter (6) mittels des Elektromotors (7) antreibbar und Teil eines Abgasturboladers, der zudem eine in den Frischgasstrang (5) integrierte Abgasturbine (8) umfasst, ist.
  4. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischgasverdichter (6) von dem Verbrennungsmotor (1) antreibbar ist, wobei der Frischgasverdichter (6) weiterhin derart ausgebildet ist, dass dessen Verdichtungsleistung unabhängig von der Abtriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors (1) veränderbar ist.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Heizbetriebs der Brennkraftmaschine - die während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors (1) erfolgende Ventilöffnung des Auslassventils (12) im Vergleich zu einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kleiner eingestellt und - zumindest zeitweise das Frischgas mittels des Frischgasverdichters (6) aufgrund einer von dem Elektromotor (7) oder von dem Verbrennungsmotor (1) erzeugten Antriebsleistung verdichtet wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizbetriebs des Verbrennungsmotors (1) das Auslassventil (12) entweder - zwischen 70°KW vor LW-OT und 50°KW vor LW-OT geöffnet und zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT geschlossen wird und/oder - mit einem Öffnungshub zwischen 1 mm und 2 mm betätigt wird oder - zwischen 100°KW vor LW-OT und 70°KW vor LW-OT geöffnet und zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT geschlossen wird und/oder - mit einem Öffnungshub zwischen 2 mm und 4 mm betätigt wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors (1) das Auslassventil (12) - zwischen 210°KW vor LW-OT und 190°KW vor LW-OT geöffnet und zwischen 20°KW vor LW-OT und 0°KW vor LW-OT geschlossen wird und/oder - mit einem Öffnungshub zwischen 8 mm und 10 mm betätigt wird.
  8. Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
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