WO2012069376A2 - Betriebsverfahren - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle.
  • Internal combustion engines come stationary, e.g. in emergency generators or combined heat and power plants, or in mobile applications such as e.g. in aircraft, watercraft and land vehicles, in particular road vehicles and off-road vehicles.
  • an internal combustion engine comprises an engine block which contains a plurality of cylinders, in each of which a piston is arranged such that it can be adjusted in terms of stroke, so-called piston engine or reciprocating engine. Gas exchange processes of these cylinders are controlled by means of gas exchange valves, ie with inlet valves and exhaust valves.
  • the internal combustion engine is usually equipped with a fresh air system which comprises at least one fresh air duct, which simultaneously supplies several cylinders with fresh air.
  • a fresh air duct comprises a fresh air distributor, from which individual connecting pipes exit to one cylinder each.
  • positive pressure pulses which lead to pressure increases, can be used to supply the individual cylinders more air mass, so-called impulse charging. It is likewise possible to generate negative pressure pulses which lead to pressure drops in order to improve exhaust gas recirculation or specifically to set an exhaust gas recirculation rate.
  • Additional valves for controlling the exhaust gas recirculation are known, for example, from DE 10 2006 028 146 A1, from DE 10 2006 037 934 A1 and from US Pat
  • the respective additional valve is usually operated such that opening phases in which the additional valve opens the fresh air duct and closing phases in which the additional valve closes the fresh air duct alternate. If such an additional valve is assigned to a plurality of cylinders, that is to say arranged in a fresh-air duct which leads to a plurality of cylinders, the additional valve is expediently operated such that it generates separate opening phases for each assigned cylinder. For example, the respective fresh air duct lead to three cylinders of the internal combustion engine, so that the additional valve is then assigned to three cylinders.
  • the firing order of the individual cylinders can be tuned so that the respective additional valve associated three cylinders are sequentially clocked in phase, so with respect to the crankshaft angle to each other, in particular the Suction cycles of the cylinder are separated in time and occur in succession. This makes it possible that with the help of an additional valve for each associated cylinder, a separate opening phase can be generated.
  • the present invention is concerned with the problem of providing an improved embodiment for an operating method of the type mentioned at the outset. ben, which is characterized in particular by the fact that the energy efficiency of the internal combustion engine is improved, in particular pollutant emissions to be reduced.
  • the invention is based on the general idea of using the additional valve to optimize the opening phases individually in terms of their length or in terms of their duration for the respective cylinder. This is achieved, in which the additional valve is operated so that it generates different sized opening phases for the associated cylinder, which follow one another directly.
  • the additional valve for example, three cylinders are assigned, the additional valve generates during a complete cycle of the internal combustion engine, ie during two complete revolutions of the crankshaft, ie within 720 ° crankshaft angle (short "KWW” or "KW”) exactly three opening phases are spaced apart by closing phases, wherein these three opening phases are different in size, so extend over different angular ranges of crankshaft rotation.
  • the invention takes into account the knowledge that within the fresh air channel for each associated cylinder, a separate flow path is present, which leads from the common auxiliary valve to the respective cylinder or to the combustion chamber. Due to design needs, these flow paths are not identical. For example, one flow path may be longer than another. Additionally or alternatively, one flow path may contain more flow deflections than another. Additionally or alternatively, a flow path may contain more flow obstacles and / or flow resistances. as another. This leads in the end to equal opening times of the additional valve to different loads or - depending on the purpose of the additional valve - lead to different exhaust gas recirculation rates in the individual cylinders.
  • a smaller opening phase can be selected for a cylinder which is coupled to the additional valve via a shorter fresh air path
  • a larger opening phase can be selected for a cylinder which is coupled to the additional valve via a fresh air path provided with a plurality of flow deflections
  • the respective additional valve may have a permanently rotating valve member which at least completes a closing angle range forming such a closing phase and at least one opening angle range forming such an opening phase, wherein the rotational speed of the valve member is changed to change successive opening phases.
  • the additional valve is designed so that the rotational speed at which the valve member rotates, can be changed dynamically, ie during one revolution of the valve member, in particular between two consecutive closing phases and in particular within an opening phase. This can be realized in particular by means of an electric motor drive, for example by means of a brushless DC motor.
  • the respective additional valve can be actuated so that the opening phases have a predetermined phase position to the crankshaft angle of a crankshaft of the internal combustion engine in a stationary operating state of the internal combustion engine.
  • the changing of the opening phases can then take place in such a way that the predetermined phase position relative to the crankshaft angle of the crankshaft is maintained during a stationary operating state of the internal combustion engine.
  • an opening phase can be increased by reducing the preceding and / or the subsequent closing phase, in such a way that a period duration remains constant.
  • the preceding and / or the subsequent closing phase can be increased, such that the period duration remains constant.
  • the respective period is defined by the time interval between the centers of two successive opening phases.
  • the respective additional valve can be used to control an exhaust gas recirculation rate.
  • a negative pressure can be generated or increased at a downstream of the additional valve inlet point for recirculated exhaust gas, whereby the amount of recirculated exhaust gas can be influenced.
  • the exhaust gas recirculation rate behaves antiproportional to the opening phase of the additional valve. The larger the opening phase, the greater the exhaust gas recirculation rate and vice versa.
  • the fresh air passage from the respective additional valve to the associated cylinders may have different flow paths which would lead to differences in the fresh air filling and / or exhaust gas recirculation rate at the respective cylinder, wherein the different opening phases are adapted to the different flow paths, that the mentioned differences are reduced, in particular eliminated.
  • the potential of the present invention is optimally utilized to homogenize the supply of the individual cylinders with respect to fresh air and / or recirculated exhaust gas.
  • the respective additional valve can be actuated by means of an electric motor, e.g. a brushless DC motor, permanently rotating driven valve member, wherein the electric motor for generating varying rotational speeds during a revolution of the valve member is driven with a continuous drive function.
  • an electric motor e.g. a brushless DC motor, permanently rotating driven valve member
  • the electric motor for generating varying rotational speeds during a revolution of the valve member is driven with a continuous drive function.
  • the control function used in this case can be the product of at least two continuous sub-functions according to an advantageous embodiment.
  • the respective subfunction may each include a sine function.
  • a first partial function may be a sine function of the first power
  • a second partial function may be a sine function of the third power.
  • the zero crossing of the first partial function with negative derivative can be set to the middle of the opening phase of the additional valve. It is particularly advantageous to set the maximum of the second partial function to the middle of the opening phase of the additional valve. It has been shown that such a drive function leads to a particularly favorable course of the rotational movement of the valve member, with which the varying opening times can be represented in a particularly simple and reliable manner.
  • the fresh air system downstream of the respective additional valve up to the gas exchange valves and upstream of the respective additional valve contains no controllable throttle.
  • the fresh air system is operated unthrottled or throttle-free.
  • the fresh air supply to the cylinders is controlled exclusively via the respective additional valve.
  • the loading control for the cylinder can be realized by means of the additional valve.
  • the respective additional valve is operated both for loading control of the associated cylinders and for controlling an exhaust gas recirculation rate to the individual cylinders is particularly expedient.
  • opening phases for adaptation to the current operating state of the internal combustion engine such that an opening duration of the respective opening phase measured in degrees crankshaft angle of a crankshaft of the internal combustion engine is varied, for which a closing time of the opening phase is varied with respect to its phase angle to the crankshaft angle during an opening time the opening phase remains constant with respect to its phase angle to the crankshaft angle.
  • This embodiment is based on the general idea, to vary the opening phases as part of the adaptation to different operating states of the internal combustion engine, to shift only the closing time and to keep the opening time constant. To increase the opening phases thus only the closing time is moved to late, while only the closing time is moved to shorten the opening phases to early.
  • This measure is based on the surprising finding that, for an optimal compromise between fuel consumption and pollutant emissions, in particular NOX emissions, there is a time window in which the opening time for the opening phases must lie, this time window being independent of the operating state of the internal combustion engine and independent of the Size of the opening phase is, even if the size of the opening phase has a strong dependence on the operating condition of the internal combustion engine.
  • the position of this time window may depend on the respective pursued operating strategy, according to which the internal combustion engine is to be operated, eg optimized for pollutants, optimized for consumption, optimized for performance, etc.
  • the respective additional valve may have a permanently rotating valve member which at least completes a closing angle range forming such a closing phase and at least one opening angle range forming such an opening phase, the rotational speed of the valve member varying within a complete revolution to vary the closing time is so that during the opening phases other rotational speeds are present than during the closing phases.
  • the rotational speed can then be increased during the opening phase and reduced in the closing phase, such that the phase position of the opening time to the crankshaft angle remains constant.
  • the change in the opening period is based solely on a shift of the closing time.
  • increasing the opening duration which is achieved by reducing the rotational speed during the opening phase and increasing it in the closing phase, such that the phase angle of the opening time to the crankshaft angle remains constant.
  • the opening time of the opening phase of the respective additional valve coincide regardless of the operating condition of the internal combustion engine with a controlled by the gas exchange valves inlet start for the respective cylinder or a maximum of 10 ° crankshaft angle or a maximum of 5 ° crankshaft angle.
  • a relationship between the opening time and the beginning of the intake can be observed for a predetermined operating strategy, for example, to optimize a low fuel consumption with low Pollutant emissions.
  • another operating strategy for example, should lead to a rapid warm-up of the internal combustion engine, of course, other relationships between the opening time and the beginning of intake can be selected.
  • other relationships between the opening time and the beginning of the intake may be relevant for the heat charge mentioned at the outset (Miller method or Atkinson method).
  • Fig. 1 is a greatly simplified schematic diagram of a schematic
  • FIG. 2 is an isometric view of an additional valve
  • 3a is a greatly simplified, schematic longitudinal section of the additional valve
  • 3b is a diagram for illustrating the opening behavior of
  • FIG. 5 shows a diagram for illustrating successive, different opening phases for three cylinders
  • FIG. 6 is a diagram illustrating successive different opening phases in a 6-cylinder engine
  • Fig. 7 to 14 each have a simplified longitudinal section of the additional valve (a), a
  • FIG. 15 shows several diagrams (a) to (f) for illustrating different opening phases in the case of different operating states of the internal combustion engine.
  • an internal combustion engine 1 as can be used, for example, in a motor vehicle, for example, an engine block 2, which contains a plurality of cylinders 3, each enclosing a combustion chamber 4 and in which each one unspecified piston is arranged adjustable in stroke.
  • Other engine configurations such as the boxer engine, V-engine and W-engine, are a matter of course.
  • exactly six such cylinders 3 are arranged in series.
  • Each combustion chamber 4 and each cylinder 3 gas exchange valves, namely intake valves 5 and 6 associated exhaust valves, which are arranged in the engine block 2.
  • an inlet valve 5 and an outlet valve 6 are provided.
  • the internal combustion engine 1 is preferably for use as a vehicle drive for commercial vehicles and passenger cars, useful in heavy commercial vehicles, such as construction vehicles and off-road vehicles. In principle, however, a use of the internal combustion engine 1 in other vehicles, such as watercraft or in stationary facilities is conceivable.
  • the internal combustion engine 1 has a fresh air system 7, which serves for the supply of fresh air to the combustion chambers 4 and to the cylinders 3.
  • 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 gases from the combustion chambers 4.
  • it has an exhaust pipe 1 1, 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 gases from the exhaust system 10 to the fresh air system 7.
  • the exhaust gas recirculation system 13 has at least one return line 14.
  • each return line 14 leads from a branch point 15 to a discharge point 16. At the respective branch point 15, the return line 14 is connected on the input side to the exhaust line. tion 1 1 connected. At the respective introduction point 14, the respective return line 14 is connected on the output side 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 to the cylinders 3, so that the fresh air line 8 in this area a first flood 8 'to supply the first three cylinders 3 and the first three combustion chambers 4 and a second flow 8 ", which serves to supply the second three cylinders 3 and the second three combustion chambers 4.
  • the first flow 8 'and the second flow 8" each form a fresh air duct, which in the following also uses 8' or 8 ' 8 ".
  • Analogous to the fresh air system 7 and the exhaust system 10 is at least in a subsequent to the cylinder 3 and the combustion chambers 4 double-flow configured so that the exhaust pipe 1 1 at least in a subsequent to the cylinder 3 and the combustion chambers 4 a section the first three cylinders 3 associated first tide 1 1 'and the second three cylinders 3 associated second tide 1 1 "has.
  • the two exhaust gas recirculation lines 14 are accordingly each one of these floods 8 'and 8 "or 1 1' or 1 1" assigned.
  • such an exhaust gas recirculation line 14 is connected to each fresh air duct 8 ', 8 ".
  • each return line 14 is also equipped with 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 loading facility tion 18, a first compressor 20 which is arranged in the fresh air line 8, and which is drive-connected via a first drive shaft 21 with a first turbine 22, which is arranged in the exhaust pipe 11.
  • the second charging device 19 accordingly comprises a second compressor 23, which is arranged in the fresh air line 8 and is drive-connected via a second drive shaft 24 to a second turbine 25, which is arranged in the exhaust pipe 11.
  • 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 intercooler 26 is arranged in the fresh air line 8.
  • a second intercooler 27 is arranged in the fresh air line 8.
  • a corresponding exhaust gas recirculation flow is indicated by arrows 28.
  • an exhaust gas recirculation valve 29 is arranged in each return line 14, with the aid of which the respective return line 14 can be opened or closed and which can be used in particular for setting an exhaust gas recirculation rate.
  • the internal combustion engine 1 is also equipped with at least one additional valve 30.
  • additional valves 30 are provided.
  • the respective additional valve 30 is in the fresh air system 7 upstream of the gas exchange valves 5, 6, that is arranged here upstream of the intake valves 5.
  • such an additional valve 30 is assigned to each of the two floods 8 ', 8 ", that is to say that in each fresh air channel 8', 8" such an additional valve 30 is arranged.
  • each additional valve 30 is associated with three cylinders 3 and three combustion chambers 4, respectively.
  • such an additional valve 30 can have an electric motor 31 as a drive in order to be able to actuate the respective additional valve 30 for opening and closing the respective fresh-air duct 8 'or 8''
  • the additional valve 30 comprises a line section 32 with which the additional valve 30 in the respective fresh air duct 8 'and 8 "of the fresh air system 7 can be integrated.
  • the additional valve 30 includes in the associated channel portion 32, a valve member 33 which is formed in the example by a flap, which may be referred to in particular as a butterfly flap.
  • the valve member 33 is rotatably mounted on a shaft 34 which is drivingly connected to the electric motor 31.
  • the electric motor 31 is preferably designed such that it can drive the valve member 33 to a permanent rotation.
  • the rotational speed of the drive 31 or of the valve member 33 may, for example, be in a substantially fixed relation to a rotational speed of a crankshaft 35 of the internal combustion engine 1 indicated in FIG. 1.
  • FIGS. 2 and 3a show an expedient example of an additional valve 30, which has a permanently rotating valve member 33.
  • Fig. 3b illustrates the course of the valve member 33 controlled by flow Baren cross section of the fresh air channel 8 'and 8 "depending on the rotation angle ⁇ of the valve member 33.
  • the respective opening phase A is designated within the curve A, while the closing phases adjacent thereto with B are designated.
  • this valve member 33 passes through at least one closing angle range ⁇ and at least one opening angle range a.
  • the respective closing angle range ⁇ defines a closing phase B of the additional valve 30, while the respective opening angle range ⁇ forms an opening phase A of the additional valve 30.
  • the additional valve 30 or its valve member 33 opens the fresh air duct 8 'or 8 ".
  • the additional valve 30 or its valve member closes
  • the additional valve 30 has a complete revolution of the valve member 33 exactly two opening phases A and two closing phases B, which alternate.
  • ß has a channel wall 36 recesses 37, in which the valve member 33 is immersed in its rotation.
  • the depressions 37 are, for example, profiled in the manner of a circle segment and have a diameter D which is greater than a height H of the respective channel 8 'or 8 "or 32 and which essentially corresponds to a width of the valve member 33 measured transversely to the axis of rotation.
  • the respective additional valve 30 can be operated such that it generates a separate opening phase A for each associated cylinder 3.
  • the respective additional valve 30 is adapted to the gas exchange operations according to the four-stroke principle of the associated three cylinders 3 so that in each case an intake stroke of the respective cylinder 3, an opening phase A can be assigned.
  • the respective additional valve 30 is now operated with the aid of the controller 38 so that it can generate different sized opening phases A for the associated cylinder 3, wherein these differently sized or differently long opening phases A can follow one another directly.
  • FIG. 4 shows two examples of opening phases A of different sizes.
  • a shorter or smaller opening phase Ai is apparent, which develops in a crankshaft angle range from approximately 60 ° KWW to approximately 180 ° KWW. stretches.
  • a larger or longer opening phase A 2 can be seen , which extends for example in a crankshaft angle range from about 40 ° KVWV to about 200 ° KVWV.
  • a sinusoidal curve E of an inlet valve 5 is entered in the diagram of FIG. 4, whose opening time window ranges from about 0 ° KVWV to about 240 ° KVWV.
  • FIG. 5 now shows how differently sized opening phases A follow one another during the successive loading phases of the successive cylinders 3 located in the intake stroke.
  • the three associated with the respective additional valve 30 cylinder 3 can differ from each other due to their distance from the additional valve 30.
  • a first cylinder 3i has the greatest distance to the additional valve 30
  • a second cylinder 3 2 has a mean distance to the additional valve 30
  • a third cylinder 3 3 has the smallest distance to the auxiliary valve 30.
  • the indicated reference numbers are also in FIG registered to characterize the individual cylinder 3 with respect to their distance from the respective additional valve 30.
  • the three cylinders 3-i, 3 2 and 3 3 are each assigned a separate opening phase A with the aid of a common additional valve 30, wherein the successive opening phases A differ from one another with respect to their length or time duration.
  • the first cylinder 3i receives the largest opening phase Ai while the third cylinder 3 3 is the smallest opening phase A 3 is metered.
  • the second cylinder 3 2 receives a medium opening phase A 2 . It is noteworthy that while the opening time window E of the intake valves 5 remain the same size.
  • FIG. 6 shows, purely by way of example, the sequence of the different opening phases A in the six cylinders of the six-cylinder engine of FIG. 1.
  • the one shown in FIG. 1 lower auxiliary valve 30 generates the shown in Fig. 6 below. th three different, successive opening phases Ai, A 2 and A 3 for the three in Fig. 1 arranged below cylinder 3-i, 3 2 and 3 3 , while the other shown in FIG. 1 upper auxiliary valve 30 for in Fig. 1 above shown three cylinders 3-I, 3 2 and 3 3, the different opening phases Ai, A 2 and A 3 generated.
  • FIGS. 7 to 14 now illustrate the interaction of the different working cycles of the three cylinders 3, which are assigned to the one additional valve 30.
  • the sub-figures 7a to 14a each show the auxiliary valve 30 in a longitudinal section in a simplified representation, in which case it is essential here to distinguish the closing phases B and the opening phases A from one another.
  • the subfigures 7b to 14b illustrate the gas flow.
  • the subfigures 7c to 14c illustrate the relation of the respective state with respect to the rotation of the crankshaft 35. Two complete revolutions of the crankshaft 35, ie 720 ° KWW or KW correspond to a duty cycle or cycle of the internal combustion engine. 1
  • the respective additional valve 30 is used to control an exhaust gas recirculation rate. Accordingly, in FIGS. 7a to 14a, the point of introduction 16 can be recognized, via the recirculated exhaust gas into the respective fresh air duct 8 'or 8 "or into the line section 32. can be directed. Accordingly, the respective return line 14 can also be seen in FIGS. 7b to 14b.
  • the consideration starts at 0 ° CA.
  • the additional valve 30 is at a rotational angle ⁇ of 0 ° and generates a closing phase B.
  • the first cylinder 3i is in the intake stroke
  • the second cylinder 3 2 is in the compression stroke
  • the third cylinder 3 3 is in the combustion cycle.
  • exhaust gas is increasingly supplied to the first cylinder 3i because the supply of fresh air is interrupted by the closing phase B of the auxiliary valve 30.
  • Fig. 8 shows a state at 120 ° KW. Now the additional valve 30 is at a rotational angle ⁇ of 90 ° and generates an opening phase A, so that the first cylinder 3i is now increasingly supplied with fresh air.
  • the second cylinder 3 2 is here at the transition to the combustion cycle.
  • the third cylinder 3 3 is in the Ausschiebetakt.
  • Fig. 9 now shows the state at 240 ° KW.
  • the additional valve 30 is at a rotational angle ⁇ of 180 ° and generates a closing phase B. Consequently, it is now about the supply of the third cylinder 3 3 with exhaust gas.
  • Fig. 10 the system is at 360 ° KW.
  • the additional valve 30 shows a rotation angle ⁇ of 270 ° and is open. This is thus about the supply of the third cylinder 3 3 with fresh air.
  • the state according to FIG. 13 therefore corresponds identically to the state according to FIG. 7.
  • crankshaft 35 and valve member 33 move in accordance with a ratio of 4: 3 to each other.
  • the rotating valve member 34 is provided to change the rotational speed of the valve member 34, namely dynamically, ie within a single revolution of the valve member 33. If the valve member 33 as in the examples shown here during a complete revolution, two opening phases A and two closing phases B, the rotational speed of the valve member 33 can be varied so that two different opening phases A can be realized within a single revolution.
  • the respective additional valve 30 can be suitably actuated such that the opening phases A have a predetermined phase position relative to the crankshaft angle of the crankshaft 35.
  • the vertex of the respective progression curve of the opening phase A is in each case at approximately 120 ° KWW and in FIG. 5 approximately in the center of the elevation curve E of the respective inlet valve.
  • Fig. 6 can be seen, that successive opening phases A each have the same distance with respect to their vertices or their centers or centers, namely 240 ° KWW.
  • the changing of the opening phases A can thus preferably be carried out so that the predetermined phase angle to the crankshaft angle is maintained.
  • the respective period is measured, for example, by the time interval or the crankshaft angle between the centers of two successive opening phases A. In the examples shown here, this period is approximately
  • opening phase A is to be reduced, it may be expedient to increase the preceding and the subsequent closing phase B, such that the period duration remains constant.
  • the respective additional valve 30 is used to control the exhaust gas recirculation rate.
  • the different opening phases A take into account the different flow paths from the respective additional valve 30 to the respective cylinder 3-i, 3 2 , 3 3 and reduce resulting asymmetries with respect to the supply of the respective cylinder 3 with fresh air or with recirculated exhaust gas.
  • the respective additional valve 30 is driven by means of an electric motor 31, it can be provided according to a particularly advantageous embodiment to actuate the electric motor 31 with a continuous control function f (x).
  • This drive function f (x) is expediently the product of at least two continuous subfunctions g (x) and h (x).
  • the two subfunctions g (x) and h (x) are in particular sine functions.
  • the first partial function g (x) is for example a sine function of the first power
  • the second partial function h (x) can be, for example, a sine function of the third power.
  • Particularly advantageous is now a design in which the zero crossing of the first partial function g (x) is set with a negative derivative to the center of the opening phase A of the additional valve 30.
  • the maximum of the second partial function h (x) is set to the middle of the opening phase A of the additional valve 30. Due to the proposed design of the drive function f (x), a particularly harmonic curve for the valve member 33 can be realized.
  • the fish air system 7 downstream of the respective additional valve 30 to the gas exchange valves 5, 6 and upstream of the respective additional valve 30 has no controllable throttle.
  • the fresh air system 7 is designed unthrottled or throttle-free.
  • the loading control of the individual cylinders 30 can be realized by means of the respective additional valve 30, namely by the appropriate dimensioning of the opening phases A.
  • the above individualization of the opening phases A for the individual cylinders 3 can be disregarded. However, an embodiment is preferred in which, during a steady-state operating state, different opening phases are allocated to the cylinders 3 associated with the same additional valve 30 and in which the opening phases A can be varied when changing over between two stationary operating states.
  • the cylinder-specific or local variation of the opening phases A serves to homogenize the supply of fresh air or of recirculated exhaust gas with respect to the individual cylinders 3.
  • the general or global variation of the opening phases A serves to adapt the opening phases A of all cylinders 3 to changing ones Operating States of the Internal Combustion Engine 1.
  • These two different variations can basically be considered separately. However, a combined consideration is preferred, so that the respective controller 38 realizes the local variation for homogenizing the supply of the individual cylinders 3 with fresh air or recirculated exhaust gas by corresponding adaptation of the opening phases A even with changing operating states and associated globally varied different opening phases A.
  • the opening duration of the respective opening phase A can be changed.
  • an opening time and a closing time of the additional valve 30 can be shifted.
  • Particularly useful is a procedure in which to vary the opening phases A in terms of their opening duration only the closing time of the opening phase A is varied with respect to its phase angle to the crankshaft angle, while the opening time of the opening phase A is kept constant with respect to its phase angle to the crankshaft angle. It has been found that this procedure is particularly advantageous with regard to the achievable values for fuel consumption and pollutant emissions.
  • FIGS. 15a to 15f show elevation curves E for inlet valves 5 and elevation curves V for outlet valves 6. Furthermore, the closing phases B and the opening phases A of the additional valve 30 can be seen. Furthermore, each diagram 15 a to 15 f includes a vertical line 39 representing the opening timing of the opening phase A associated with the intake stroke of the respective cylinder 3. Further, a vertical line 40 defines the closing timing at which the respective opening phase A is completed. An opening period 41 then results from the difference between closing time 40 and opening time 39.
  • FIGS. 15a to 15f now show a sequence of different operating states of the internal combustion engine 1, each requiring different opening durations 41.
  • said opening duration 41 decreases.
  • the closing time 40 is shifted in the direction of smaller crankshaft angles, while the opening time 39 remains constant.
  • the respective additional valve 30 may have a permanently rotating valve member 33, which at least one closing phase B forming such a closing phase B and at least one opening angle A forming such an opening phase A passes through a complete revolution, wherein for varying the closing time 40, the rotational speed the valve member 33 within a full revolution is varied, so that during the opening phase A different rotational speeds than during the closing phases B.
  • the rotational speed during the opening phase A can then be increased and reduced in the closing phase B such that the phase angle of the opening time point 39 to the crankshaft angle remains constant.
  • the change in the opening period 41 is based solely on a shift of the closing time 40.
  • increasing the opening duration 41 which is achieved by reducing the rotational speed during the opening phase A and increasing it in the closing phase B. is such that the phase angle of the opening timing 39 remains constant to the crankshaft angle.
  • the opening time 39 of the opening phase A of the respective additional valve 30 can coincide with a controlled by the gas exchange valves 5, 6 inlet start (start of the elevation curve E of the intake valve 5) or a maximum distance regardless of the operating condition of the internal combustion engine 1 of 10 ° crankshaft angle or at most a distance of 5 ° crankshaft angle have.
  • Such a relationship between opening time 39 and start of intake can be maintained for a predetermined operating strategy, for example to optimize low fuel consumption with low pollutant emissions.
  • another operating strategy which is to lead, for example, to a rapid warming of the internal combustion engine 1, of course, other relationships between opening time 39 and the beginning of intake can be selected.
  • opening time 39 and inlet beginning may be relevant for the heat charge mentioned at the outset (Miller method or Atkinson method).
  • the variation of the opening phases A proposed here for adaptation to changing operating states by shifting the closing time 40 and keeping the opening time 39 constant can be carried out in fresh air systems 7 which have a separate additional valve 30 for each cylinder 3.
  • the respective fresh air duct 8 ', 8 ", in which the respective additional valve 30 is arranged lead to a plurality of cylinders 3, so that respective additional valve 30 is assigned to a plurality of cylinders 3, for which it generates separate opening phases A, respectively. Since such an additional valve 30 can operate and be driven with high dynamics, it may be sufficient to allocate a single additional valve 30 to a plurality of cylinders 3 in order to be able to provide separate opening phases A for the cylinders 3. In particular, provision can be made for the respective additional valve 30 to be so operate that it generates different sized opening phases A for the associated cylinder 3, which follow each other directly.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) in einem Motorblock (2) mehrere mit Gaswechselventilen (5, 6) gesteuerte Zylinder (3) und eine den Zylindern (3) Frischluft zuführende Frischluftanlage (7) aufweist, die wenigstens ein Zusatzventil (30) aufweist, das in einem zu mindestens zwei Zylindern (3) führenden Frischluftkanal (8', 8") stromauf der zugehörigen Gaswechselventile (5, 6) angeordnet ist, bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass sich Öffnungsphasen (A), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8") öffnet, und Schließphasen (B), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8") schließt, abwechseln, bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) außerdem so betrieben wird, dass es für jeden zugeordneten Zylinder (3) eine separate Öffnungsphase (A) erzeugt. Ein verbesserter Wirkungsgrad lässt sich erreichen, wenn das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass es für die zugeordneten Zylinder (3) unterschiedlich große Öffnungsphasen (A) erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen.

Description

Betriebsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Brennkraftmaschinen kommen stationär, z.B. bei Notstromaggregaten oder bei Kraft-Wärme-Kopplungseinrichtungen, oder bei mobilen Verwendungen zum Einsatz, wie z.B. bei Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und Landfahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeuge und Off-Road-Fahrzeuge.
Üblicherweise umfasst eine Brennkraftmaschine einen Motorblock, der mehrere Zylinder enthält, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist, sogenannter Kolbenmotor bzw. Hubkolbenmotor. Gaswechselvorgänge dieser Zylinder werden mit Hilfe von Gaswechselventilen gesteuert, also mit Einlassventilen und Auslassventilen. Zur Versorgung der Zylinder mit Frischluft ist die Brennkraftmaschine üblicherweise mit einer Frischluftanlage ausgestattet, die zumindest einen Frischluftkanal umfasst, der gleichzeitig mehrere Zylinder mit Frischluft versorgt. Beispielsweise umfasst ein derartiger Frischluftkanal einen Frischluftverteiler, von dem einzelne Verbindungsrohre zu jeweils einem Zylinder abgehen.
Um die Frischluftbeladung der Zylinder verbessern zu können bzw. um eine Rückführung von Abgas steuern zu können, ist es grundsätzlich möglich, in der Frischluftanlage stromauf der Gaswechselventile, also zusätzlich zu den Gaswechselventilen zumindest ein Zusatzventil in der Frischluftanlage anzuordnen, mit dessen Hilfe der jeweilige Frischluftkanal geöffnet und geschlossen werden kann. Ein derartiges Zusatzventil arbeitet dynamisch und unterscheidet sich somit grundsätzlich von einer Drosselklappe, die bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen in der Frischluftanlage vorgesehen sein kann, um bei niedrigen Lasten die Frischluftzufuhr zu drosseln. Mit Hilfe derartiger Zusatzventile ist es grundsätzlich möglich, in der zu den Zylindern führenden Luftströmung Druckpulsationen zu erzeugen bzw. aufgrund der Ladungswechselvorgänge vorhandene Druckpulsationen zu verstärken. Dabei können positive Druckpulse, die zu Druckerhöhungen führen, dazu genutzt werden, den einzelnen Zylindern mehr Luftmasse zuzuführen, sogenannte Impulsaufladung. Ebenso ist es möglich, negative Druckpulse zu erzeugen, die zu Druckabsenkungen führen, um eine Abgasrückführung zu verbessern bzw. gezielt ein Abgasrückführrate einzustellen.
Zusatzventile zum Steuern der Abgasrückführung sind beispielsweise aus der DE 10 2006 028 146 A1 , aus der DE 10 2006 037 934 A1 und aus der
DE 10 2007 004 264 A1 bekannt.
Ferner ist es beispielsweise aus der DE 10 2008 036 494 A1 bekannt, derartige Zusatzventile mit Einlassventilen der Zylinder so zu koordinieren, dass die Temperatur während des Verbrennungsprozesses, also die jeweilige Prozesstemperatur gesenkt wird, um Schadstoffemissionen, insbesondere NOX-Emissionen zu reduzieren. Beispielweise lässt sich mit Hilfe der Zusatzventile das sogenannte Miller-Verfahren oder das sogenannte Atkinson-Verfahren durchführen. Beim Miller-Verfahren wird der Beladungsvorgang des jeweiligen Zylinders früher als üblich beendet, nämlich vor dem unteren Totpunkt des zugehörigen Kolbens. Beim Atkinson-Verfahren wird der Beladungsvorgang verlängert, nämlich bis nach dem unteren Totpunkt des jeweiligen Kolbens. In beiden Fällen wird die insgesamt dem Zylinder zugeführte Frischluftmenge reduziert, was zu einer Druckabsenkung im Verbrennungsprozess und somit zu einer Temperaturabsenkung führt.
Aus der WO 2010/007026 A1 ist ein weiteres Zusatzventil bekannt, das mit einem Phasensteiler ausgestattet ist, mit dessen Hilfe die Phasenlage zwischen Antrieb und Ventilglied variiert werden kann. Gemäß der DE 10 2009 020 171 ist es außerdem bekannt, das jeweilige Zusatzventil dazu zu verwenden, dass in einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine ein Umweltparameter der Brennkraftmaschine optimiert wird bzw. dass für wenigstens zwei Umweltparameter der Brennkraftmaschine ein optimierter Kom- promiss eingestellt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Phasenlage des jeweiligen Zusatzventils relativ zur Rotation einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. relativ zu deren Ku rbelwellenwinkel variiert wird.
Um die unterschiedlichen strömungsdynamischen Effekte erzeugen zu können, wird das jeweilige Zusatzventil üblicherweise so betrieben, dass sich Öffnungsphasen, in denen das Zusatzventil den Frischluftkanal öffnet, und Schließphasen, in denen das Zusatzventil den Frischluftkanal schließt, abwechseln. Sofern ein derartiges Zusatzventil mehreren Zylindern zugeordnet ist, also in einem Frischluftkanal angeordnet ist, der zu mehreren Zylindern führt, wird das Zusatzventil zweckmäßig so betrieben, dass es für jeden zugeordneten Zylinder separate Öffnungsphasen erzeugt. Beispielsweise kann der jeweilige Frischluftkanal zu drei Zylindern der Brennkraftmaschine führen, so dass das Zusatzventil dann drei Zylindern zugeordnet ist. Bei einem Sechs-Zylinder-Motor, der nach dem Vier-Takt- Prinzip arbeitet, lässt sich die Zündfolge der einzelnen Zylinder so abstimmen, dass die dem jeweiligen Zusatzventil zugeordneten drei Zylinder nacheinander, also bezüglich des Kurbelwellenwinkels phasenverschoben zueinander getaktet werden, wobei insbesondere die Ansaugtakte der Zylinder zeitlich getrennt voneinander und nacheinander auftreten. Dadurch ist es möglich, dass mit Hilfe des einen Zusatzventils für jeden zugeordneten Zylinder eine separate Öffnungsphase erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzuge- ben, die sich insbesondere dadurch charakterisiert, dass der energetische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert ist, wobei insbesondere Schadstoffemissionen reduziert werden sollen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigem Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe des Zusatzventils die Öffnungsphasen hinsichtlich ihrer Länge bzw. hinsichtlich ihrer Zeitdauer individuell für den jeweiligen Zylinder zu optimieren. Erreicht wird dies, in dem das Zusatzventil so betrieben wird, dass es für die zugeordneten Zylinder unterschiedlich große Öffnungsphasen erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen. Sofern also dem jeweiligen Zusatzventil beispielsweise drei Zylinder zugeordnet sind, erzeugt das Zusatzventil während eines vollständigen Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine, also während zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle, also innerhalb von 720° Kurbelwellenwinkel (kurz„KWW" oder„KW") genau drei Öffnungsphasen, die durch Schließphasen voneinander beabstandet sind, wobei diese drei Öffnungsphasen unterschiedlich groß sind, sich also über unterschiedlich große Winkelbereiche der Kurbelwellendrehung erstrecken.
Die Erfindung berücksichtigt hierbei die Erkenntnis, dass innerhalb des Frischluftkanals für jeden zugehörigen Zylinder ein eigener Strömungspfad vorhanden ist, der vom gemeinsamen Zusatzventil zum jeweiligen Zylinder bzw. zu dessen Brennraum führt. Aufgrund konstruktiver Notwendigkeiten sind diese Strömungspfade nicht identisch. Beispielsweise kann ein Strömungspfad länger sein als ein anderer. Zusätzlich oder alternativ kann ein Strömungspfad mehr Strömungsum- lenkungen enthalten als ein anderer. Zusätzlich oder alternativ kann ein Strömungspfad mehr Strömungshindernisse und/oder Strömungswiderstände enthal- ten als ein anderer. Dies führt am Ende dazu, dass gleich große Öffnungszeiten des Zusatzventils zu unterschiedlichen Beladungen bzw. - je nach Einsatzzweck des Zusatzventils - zu unterschiedlichen Abgasrückführmengen in den einzelnen Zylindern führen. Es hat sich also gezeigt, dass identische Öffnungsphasen des gemeinsamen Zusatzventils an den zugeordneten Zylindern zu einer inhomogenen Versorgung mit Frischluft bzw. rückgeführtem Abgas führen. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, die Öffnungsphasen für die verschiedenen Zylinder unterschiedlich zu wählen, ergibt sich nun die Möglichkeit, die Versorgung der zugehörigen Zylinder mit Frischluft bzw. mit rückgeführtem Abgas zu homogenisieren. Beispielsweise kann für einen Zylinder, der über einen kürzeren Frischluftpfad mit dem Zusatzventil gekoppelt ist, eine kleinere Öffnungsphase gewählt werden, während für einen Zylinder, der über einen mit mehreren Strömungsum- lenkungen versehenen Frischluftpfad mit dem Zusatzventil gekoppelt ist, eine größere Öffnungsphase gewählt werden kann. Durch Versuche lassen sich die optimalen Öffnungsphasen für die unterschiedlichen Zylinder ermitteln, um die konstruktiv bedingten Abweichungen der Frischluftpfade mehr oder weniger ausgleichen zu können.
Durch die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erzielbare Homogenisierung der Versorgung der einzelnen Zylinder mit Frischluft bzw. mit rückgeführtem Abgas lassen sich die Schadstoffemissionen und/oder der Kraftstoffverbrauch senken.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil ein permanent rotierendes Ventilglied aufweisen, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase bildenden Schließwinkelbereich und zumindest einen eine solche Öffnungsphase bildenden Öffnungswinkelbereich durchfährt, wobei zum Verändern aufeinander folgender Öffnungsphasen die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds verändert wird. Mit anderen Worten, um bei einem Zusatzventil mit permanent rotierendem Ventilglied die aufeinander folgenden Öffnungsphasen hinsichtlich ihrer Zeitdauer variieren zu können, ist das Zusatzventil so ausgestaltet, dass die Rotationsgeschwindigkeit, mit der das Ventilglied rotiert, dynamisch verändert werden kann, also während einer Umdrehung des Ventilglieds, insbesondere zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schließphasen und insbesondere innerhalb einer Öffnungsphase. Dies kann insbesondere mit Hilfe eines elektromotorischen Antriebs realisiert werden, beispielsweise mit Hilfe eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil so betätigt werden, dass die Öffnungsphasen bei einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufweisen. Beispielsweise kann es wichtig sein, dass der jeweilige positive oder negative Druckpuls im Bereich eines vorbestimmten Kurbelwellenwinkels am jeweiligen Zylinder eintrifft, beispielsweise unmittelbar vor dem Schließen des zugehörigen Einlassventils bzw. der zugehörigen Einlassventile. Das Verändern der Öffnungsphasen kann dann so erfolgen, dass bei einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine die vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle erhalten bleibt. Beispielsweise kann eine Öffnungsphase dadurch vergrößert werden, dass die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase verkleinert wird bzw. werden, und zwar so, dass eine Periodendauer konstant bleibt. Für den Fall, dass eine Öffnungsphase verkleinert werden soll, können die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase vergrößert werden, derart, dass die Periodendauer konstant bleibt. Die jeweilige Periodendauer ist dabei durch den zeitlichen Abstand zwischen den Mitten von zwei aufeinander folgenden Öffnungsphasen definiert. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil zum Steuern einer Abgasrückführrate verwendet werden. In den Schließphasen kann an einer stromab des Zusatzventils liegenden Einleitstelle für rückgeführtes Abgas ein Unterdruck erzeugt bzw. vergrößert werden, wodurch sich die Menge des rückgeführten Abgases beeinflussen lässt. Die Abgasrückführrate verhält sich dabei antiproportional zur Öffnungsphase des Zusatzventils. Je größer die Öffnungsphase, desto größer die Abgasrückführrate und umgekehrt.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Frischluftkanal vom jeweiligen Zusatzventil zu den zugehörigen Zylindern unterschiedliche Strömungspfade aufweisen, die am jeweiligen Zylinder bei gleichen Öffnungsphasen zu Unterschieden in der Frischluftbefüllung und/oder Abgasrückführrate führen würden, wobei die unterschiedlichen Öffnungsphasen so auf die unterschiedlichen Strömungspfade abgestimmt sind, dass die genannten Unterschiede reduziert, insbesondere eliminiert, werden. Bei dieser Ausführungsform wird das Potential der vorliegenden Erfindung optimal benutzt, um die Versorgung der einzelnen Zylinder hinsichtlich Frischluft und/oder rückgeführtem Abgas zu homogenisieren.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil ein mit Hilfe eines Elektromotors, wie z.B. ein bürstenloser Gleichstrommotor, permanent rotierend angetriebenes Ventilglied aufweisen, wobei der Elektromotor zum Erzeugen variierender Rotationsgeschwindigkeiten während einer Umdrehung des Ventilglieds mit einer stetigen Ansteuerfunktion angesteuert wird. Die Verwendung einer stetigen Ansteuerfunktion reduziert die Belastung des Elektromotors und ermöglicht zuverlässige Steuerzeiten.
Die hierbei verwendete Ansteuerfunktion kann entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform das Produkt aus wenigstens zwei stetigen Teilfunktionen sein. Zweckmäßig kann die jeweilige Teilfunktion jeweils eine Sinusfunktion beinhalten. Insbesondere kann eine erste Teilfunktion eine Sinusfunktion erster Potenz sein, während eine zweite Teilfunktion eine Sinusfunktion dritter Potenz sein kann. Zweckmäßig kann der Nulldurchgang der ersten Teilfunktion mit negativer Ableitung auf die Mitte der Öffnungsphase des Zusatzventils eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, das Maximum der zweiten Teilfunktion auf die Mitte der Öffnungsphase des Zusatzventils einzustellen. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Ansteuerfunktion zu einem besonders günstigen Verlauf der Rotationsbewegung des Ventilglieds führt, mit der sich die variierenden Öffnungszeiten besonders einfach und zuverlässig darstellen lassen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Frischluftanlage stromab des jeweiligen Zusatzventils bis zu den Gaswechselventilen und stromauf des jeweiligen Zusatzventils keine steuerbare Drossel enthält. Mit anderen Worten, die Frischluftanlage wird ungedrosselt bzw. drosselfrei betrieben. Die Steuerung der Frischluftzufuhr zu den Zylindern erfolgt ausschließlich über das jeweilige Zusatzventil. Insbesondere kann somit die Beladungssteuerung für die Zylinder mit Hilfe des Zusatzventils realisiert werden. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, bei der das jeweilige Zusatzventil sowohl zur Beladungssteuerung der zugeordneten Zylinder als auch zum Steuern einer Abgas- rückführrate zu den einzelnen Zylinder betrieben wird.
Besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn bei einem 4-Takt-Motor für jeweils drei Zylinder ein einziges Zusatzventil verwendet wird, das diesen drei Zylindern zugeordnet ist. Insbesondere kann somit bei einem 3-Zylinder-Motor nur ein einziges Zusatzventil vorgesehen sein. Bei einem 6-Zylinder-Motor können dagegen genau zwei solche Zusatzventile vorgesehen sein, die dann jeweils drei Zylindern zugeordnet sind. Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Öffnungsphasen abhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine variiert werden, um die Öffnungsphasen an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine anzupassen. Zweckmäßig erfolgt dabei das Variieren der Öffnungsphasen zum Anpassen an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine derart, dass eine in Grad Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gemessene Öffnungsdauer der jeweiligen Öffnungsphase variiert wird, wozu ein Schließzeitpunkt der Öffnungsphase hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel variiert wird, während ein Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Diese Ausführungsform beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zum Variieren der Öffnungsphasen im Rahmen der Adaption an unterschiedliche Betriebszu- stände der Brennkraftmaschine ausschließlich den Schließzeitpunkt zu verschieben und den Öffnungszeitpunkt konstant zu lassen. Zum Vergrößern der Öffnungsphasen wird somit ausschließlich der Schließzeitpunkt nach spät verschoben, während zum Verkürzen der Öffnungsphasen ausschließlich der Schließzeitpunkt nach früh verschoben wird. Diese Maßnahme beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass es für einen optimalen Kompromiss aus Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen, insbesondere NOX-Emissionen, ein Zeitfenster gibt, in dem der Öffnungszeitpunkt für die Öffnungsphasen liegen muss, wobei dieses Zeitfenster unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und unabhängig von der Größe der Öffnungsphase ist, auch wenn die Größe der Öffnungsphase eine starke Abhängigkeit zum Betriebszustand der Brennkraftmaschine besitzt. Die Position dieses Zeitfensters kann jedoch von der jeweils verfolgten Betriebsstrategie abhängen, nach welcher die Brennkraftmaschine betrieben werden soll, z.B. schadstoffoptimiert, verbrauchsoptimiert, leistungsoptimiert etc. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil ein permanent rotierendes Ventilglied aufweisen, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase bildenden Schließwinkelbereich und zumindest einen eine solche Öffnungsphase bildenden Öffnungswinkelbereich durchfährt, wobei zum Variieren des Schließzeitpunkts die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds innerhalb einer vollständigen Umdrehung variiert wird, so dass während der Öffnungsphasen andere Rotationsgeschwindigkeiten vorliegen als während der Schließphasen.
Beispielsweise kann dann zum Verkürzen der Öffnungsdauer die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase erhöht und in der Schließphase reduziert werden, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt. Durch das Konstanthalten der Phasenlage des Öffnungszeitpunkts beruht die Veränderung der Öffnungsdauer ausschließlich auf einer Verschiebung des Schließzeitpunkts. Entsprechendes gilt für ein Vergrößern der Öffnungsdauer, was dadurch erreicht wird, dass die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase reduziert und in der Schließphase erhöht wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Entsprechend einer speziellen Ausführungsform kann für den jeweiligen Zylinder der Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase des jeweiligen Zusatzventils unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem durch die Gaswechselventile gesteuerten Einlassbeginn zusammenfallen oder maximal einen Abstand von 10° Kurbelwellenwinkel oder maximal einen Abstand von 5° Kurbelwellenwinkel aufweisen. Ein derartiger Zusammenhang zwischen Öffnungszeitpunkt und Einlassbeginn kann für eine vorbestimmte Betriebsstrategie einzuhalten sein, beispielsweise zur Optimierung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs mit niedrigen Schadstoffemissionen. Bei einer anderen Betriebsstrategie, die beispielsweise zu einer raschen Aufwärmung der Brennkraftmaschine führen soll, können natürlich auch andere Zusammenhänge zwischen Öffnungszeitpunkt und Einlassbeginn gewählt werden. Beispielsweise können für die eingangs genannte Wärmeladung (Miller-Verfahren bzw. Atkinson-Verfahren) andere Zusammenhänge von Öffnungszeitpunkt und Einlassbeginn relevant sein.
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 isometrische Ansicht eines Zusatzventils, Fig. 3a ein stark vereinfachter, schematisierter Längsschnitt des Zusatzventils,
Fig. 3b ein Diagramm zur Veranschaulichung des Öffnungsverhaltens des
Zusatzventils abhängig von einem Rotationswinkel eines Ventilglieds,
Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung unterschiedlicher Öffnungsphasen des Zusatzventils,
Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung aufeinander folgender, unterschiedlicher Öffnungsphasen für drei Zylinder,
Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung aufeinander folgender unterschiedlicher Öffnungsphasen bei einem 6-Zylinder-Motor,
Fig. 7 bis 14 jeweils einen vereinfachten Längsschnitt des Zusatzventils (a), eine
Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine mit drei Zylindern (b) und ein Verlaufsdiagramm für einen Vier-Takt-Betrieb der drei Zylinder, abhängig vom Kurbelwellenwinkel (c), bei unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Kurbelwellenwinkeln,
Fig. 15 mehrere Diagramme (a) bis (f) zur Veranschaulichung unterschiedlicher Öffnungsphasen bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 , wie sie z.B. bei einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommen kann, z.B. einen Motorblock 2, der mehrere Zylinder 3 enthält, die jeweils einen Brennraum 4 umschließen und in denen jeweils ein nicht näher bezeichneter Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Andere Motorkonfigurationen, wie Boxermotor, V-Motor und W-Motor, sind selbstverständlich. Im Beispiel sind rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit genau sechs derartige Zylinder 3 in Reihe angeordnet. Jedem Brennraum 4 bzw. jedem Zylinder 3 sind Gaswechselventile, nämlich Einlassventile 5 und Auslassventile 6 zugeordnet, die im Motorblock 2 angeordnet sind. Im Beispiel ist je Brennraum 4 bzw. je Zylinder 3 ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 vorgesehen. Es ist klar, dass auch zwei oder mehr Einlassventile 5 bzw. zwei oder mehr Auslassventile 6 je Zylinder 3 vorgesehen sein können. Die Brennkraftmaschine 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. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine 1 in anderen Fahrzeugen, wie z.B. Wasserfahrzeugen oder in stationären Einrichtungen denkbar.
Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Frischluftanlage 7 auf, die zur Zuführung von Frischluft zu den Brennräumen 4 bzw. zu den Zylindern 3 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, Abgase von den Brennräumen 4 wegzuführen. Hierzu besitzt sie eine Abgasleitung 1 1 , die einen Abgaspfad 12 enthält, der durch Pfeile angedeutet ist. Außerdem ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführanlage 13 ausgestattet, mit der es möglich ist, Abgase von der Abgasanlage 10 zur Frischluftanlage 7 zurückzuführen. Hierzu besitzt die Abgasrückführanlage 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 Rückführleitung 14 eingangsseitig mit der Abgaslei- tung 1 1 verbunden. An der jeweiligen Einleitstelle 14 ist die jeweilige Rückführleitung 14 ausgangsseitig mit der Frischluftleitung 8 verbunden.
Im Beispiel ist die Frischluftanlage 7 zumindest in einem an die Brennräume 4 an die Zylinder 3 anschließenden Abschnitt zweiflutig ausgestaltet, so dass die Frischluftleitung 8 in diesem Bereich eine erste Flut 8' zur Versorgung der ersten drei Zylinder 3 bzw. der ersten drei Brennräume 4 bzw. eine zweite Flut 8" aufweist, die zur Versorgung der zweiten drei Zylinder 3 bzw. der zweiten drei Brennräume 4 dient. Die erste Flut 8' und die zweite Flut 8" bilden dabei jeweils einen Frischluftkanal, der im Folgenden ebenfalls mit 8' bzw. 8" bezeichnet wird.
Analog zur Frischluftanlage 7 ist auch die Abgasanlage 10 zumindest in einem an die Zylinder 3 bzw. an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt zweiflutig ausgestaltet, so dass die Abgasleitung 1 1 zumindest in einem an die Zylinder 3 bzw. an die Brennräume 4 anschließenden Abschnitt eine den ersten drei Zylindern 3 zugeordnete erste Flut 1 1 ' und eine den zweiten drei Zylindern 3 zugeordnete zweite Flut 1 1 " aufweist.
Die beiden Abgasrückführleitungen 14 sind dementsprechend jeweils einer dieser Fluten 8' bzw. 8" bzw. 1 1 ' bzw. 1 1 " zugeordnet. Insbesondere ist an jedem Frischluftkanal 8', 8" eine solche Abgasrückführleitung 14 angeschlossen. Im Beispiel ist außerdem jede Rückführleitung 14 mit einem Abgasrückführkühler 17 ausgestattet.
Ferner ist die Brennkraftmaschine 1 im dargestellten Beispiel aufgeladen, so dass 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 Ladeeinrich- tung 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 1 1 angeordnet ist. Die zweite Ladeeinrichtung 19 umfasst 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 1 1 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 Zylindern 3 ist ein zweiter Ladeluftkühler 27 in der Frischluftleitung 8 angeordnet.
Eine entsprechende Abgasrückführströmung ist dabei durch Pfeile 28 angedeutet. Im Beispiel der Fig. 1 ist in jeder Rückführleitung 14 außerdem ein Abgas- rückführventil 29 angeordnet, mit dessen Hilfe die jeweilige Rückführleitung 14 geöffnet bzw. gesperrt werden kann und das insbesondere zum Einstellen einer Abgasrückführrate verwendet werden kann.
Die Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit wenigstens einem Zusatzventil 30 ausgestattet. Im Beispiel sind zwei derartige Zusatzventile 30 vorgesehen. Das jeweilige Zusatzventil 30 ist dabei in der Frischluftanlage 7 stromauf der Gaswechselventile 5, 6, also hier stromauf der Einlassventile 5 angeordnet. Im Beispiel ist den beiden Fluten 8', 8" jeweils ein derartiges Zusatzventil 30 zugeordnet. Das heißt, in jedem Frischluftkanal 8', 8" ist jeweils ein derartiges Zusatzventil 30 angeordnet. Somit ist im Beispiel jedes Zusatzventil 30 jeweils drei Zylindern 3 bzw. drei Brennräumen 4 zugeordnet. Gemäß Fig. 2 kann ein derartiges Zusatzventil 30 einen Elektromotor 31 als Antrieb aufweisen, um das jeweilige Zusatzventil 30 zum Öffnen und Schließen des jeweiligen Frischluftkanals 8' bzw. 8" betätigen zu können. Im Beispiel umfasst das Zusatzventil 30 einen Leitungsabschnitt 32, mit dem das Zusatzventil 30 in den jeweiligen Frischluftkanal 8' bzw. 8" der Frischluftanlage 7 eingebunden werden kann. Das Zusatzventil 30 enthält im zugehörigen Kanalabschnitt 32 ein Ventilglied 33, das im Beispiel durch eine Klappe gebildet ist, die insbesondere auch als Schmetterlingsklappe bezeichnet werden kann. Das Ventilglied 33 ist drehfest auf einer Welle 34 angeordnet, die mit dem Elektromotor 31 antriebsverbunden ist. Der Elektromotor 31 ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er das Ventilglied 33 zu einer permanenten Rotation antreiben kann. Die Drehzahl des Antriebs 31 bzw. des Ventilglieds 33 kann beispielsweise in einer im Wesentlichen fest stehenden Relation zu einer Drehzahl einer in Fig. 1 angedeuteten Kurbelwelle 35 der Brennkraftmaschine 1 stehen.
Die Fig. 2 und 3a zeigen ein zweckmäßiges Beispiel für ein Zusatzventil 30, das ein permanent rotierendes Ventilglied 33 aufweist. Fig. 3b veranschaulicht den Verlauf des vom Ventilglied 33 gesteuerten durchström baren Querschnitts des Frischluftkanals 8' bzw. 8" abhängig vom Drehwinkel φ des Ventilglieds 33. Die jeweilige Öffnungsphase A ist dabei innerhalb der Verlaufskurve mit A bezeichnet, während die daran angrenzenden Schließphasen mit B bezeichnet sind.
Bei einer vollständigen Umdrehung dieses Ventilglieds 33 durchfährt dieses zumindest einen Schließwinkelbereich ß und zumindest einen Öffnungswinkelbereich a. Der jeweilige Schließwinkelbereich ß definiert eine Schließphase B des Zusatzventils 30, während der jeweilige Öffnungswinkelbereich α eine Öffnungsphase A des Zusatzventils 30 bildet. Während der Öffnungsphasen A öffnet das Zusatzventil 30 bzw. dessen Ventilglied 33 den Frischluftkanal 8' bzw. 8". Während den Schließphasen B schließt das Zusatzventil 30 bzw. dessen Ventilglied 33 den jeweiligen Frischluftkanal 8' bzw. 8". Beim gezeigten Beispiel besitzt das Zusatzventil 30 bei einer vollständigen Umdrehung des Ventilglieds 33 genau zwei Öffnungsphasen A und zwei Schließphasen B, die sich abwechseln.
Zur Ausbildung signifikanter Schließwinkelbereiche ß besitzt eine Kanalwand 36 Vertiefungen 37, in welche das Ventilglied 33 bei seiner Rotation eintaucht. Die Vertiefungen 37 sind beispielsweise kreissegmentförmig profiliert und besitzen einen Durchmesser D, der größer ist als eine Höhe H des jeweiligen Kanals 8' bzw. 8" bzw. 32 und der im Wesentlichen einer quer zur Rotationsachse gemessenen Breite des Ventilglieds 33 entspricht.
Mit Hilfe einer in Fig. 1 angedeuteten Steuerung 38, die auf geeignete Weise mit dem jeweiligen Zusatzventil 30 verbunden ist, lässt sich das jeweilige Zusatzventil 30 so betreiben, dass es für jeden zugeordneten Zylinder 3 eine separate Öffnungsphase A erzeugt.
Das bedeutet, dass das jeweilige Zusatzventil 30 auf die Gaswechselvorgänge gemäß dem Vier-Takt-Prinzip der zugeordneten drei Zylinder 3 so abgestimmt ist, dass jeweils einem Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders 3 eine Öffnungsphase A zugeordnet werden kann.
Das jeweilige Zusatzventil 30 wird nun mit Hilfe der Steuerung 38 so betrieben, dass es für die zugehörigen Zylinder 3 unterschiedlich große Öffnungsphasen A erzeugen kann, wobei diese unterschiedlich großen bzw. unterschiedlich langen Öffnungsphasen A unmittelbar aufeinander folgen können.
Beispielsweise zeigt Fig. 4 zwei Beispiele für unterschiedlich große Öffnungsphasen A. Erkennbar ist eine kürzere oder kleinere Öffnungsphasen A-i , die sich in einem Kurbelwellenwinkelbereich von etwa 60° KWW bis etwa 180° KWW er- streckt. Ferner ist erkennbar eine größere oder längere Öffnungsphase A2, die sich beispielsweise in einem Kurbelwellenwinkelbereich von etwa 40° KVWV bis etwa 200° KVWV erstreckt. Als Vergleich ist in das Diagramm der Fig. 4 eine sinusförmige Verlaufskurve E eines Einlassventils 5 eingetragen, dessen Öffnungszeitfenster von etwa 0° KVWV bis etwa 240° KVWV reicht.
Fig. 5 zeigt nun, wie unterschiedlich große Öffnungsphasen A bei den aufeinander folgenden Beladungsphasen der aufeinander folgenden, im Ansaugtakt befindlichen Zylinder 3 aufeinander folgen. Beispielsweise lassen sich die drei dem jeweiligen Zusatzventil 30 zugeordneten Zylinder 3 aufgrund ihrer Entfernung zum Zusatzventil 30 voneinander unterscheiden. Beispielsweise besitzt ein erster Zylinder 3i die größte Entfernung zum Zusatzventil 30, ein zweiter Zylinder 32 besitzt eine mittlere Entfernung zum Zusatzventil 30 und ein dritter Zylinder 33 besitzt die kleinste Entfernung zum Zusatzventil 30. Zur Orientierung sind die indizierten Bezugszahlen auch in Fig. 1 eingetragen, um die einzelnen Zylinder 3 hinsichtlich ihres Abstands vom jeweiligen Zusatzventil 30 zu charakterisieren.
Gemäß Fig. 5 wird den drei Zylindern 3-i, 32 und 33 mit Hilfe des einen gemeinsamen Zusatzventils 30 jeweils eine separate Öffnungsphase A zugeordnet, wobei sich die aufeinander folgenden Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Länge bzw. Zeitdauer voneinander unterscheiden. So erhält der erste Zylinder 3i die größte Öffnungsphase Ai während dem dritten Zylinder 33 die kleinste Öffnungsphase A3 zugemessen wird. Der zweite Zylinder 32 erhält eine mittelgroße Öffnungsphase A2. Bemerkenswert ist, dass dabei die Öffnungszeitfenster E der Einlassventile 5 dabei gleich groß bleiben.
Fig. 6 zeigt nun rein exemplarisch die Abfolge der unterschiedlichen Öffnungsphasen A bei den sechs Zylindern des Sechs-Zylinder-Motors der Fig. 1 . Dabei erzeugt das eine gemäß Fig. 1 untere Zusatzventil 30 die in Fig. 6 unten gezeig- ten drei unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Öffnungsphasen A-i , A2 und A3 für die drei in Fig. 1 unten angeordneten Zylinder 3-i , 32 und 33, während das andere gemäß Fig. 1 obere Zusatzventil 30 für die in Fig. 1 oben gezeigten drei Zylinder 3-I , 32 und 33 die verschiedenen Öffnungsphasen A-i , A2 und A3 erzeugt. Erkennbar ergibt sich zwischen den Öffnungsphasen A des einen Zusatzventils 30 und den Öffnungsphasen A des anderen Zusatzventils 30 eine Phasenverschiebung von etwa 120°KWW, die auf die Zündfolge des Sechs-Zylinder-Vier- Takt-Motors zurückzuführen ist.
Die Fig. 7 bis 14 veranschaulichen nun das Zusammenspiel der unterschiedlichen Arbeitstakte der drei Zylinder 3, die dem einen Zusatzventil 30 zugeordnet sind. Dabei zeigen die Teilfiguren 7a bis 14a jeweils das Zusatzventil 30 im Längsschnitt in einer vereinfachten Darstellung, wobei es hier im Wesentlichen darauf ankommt, die Schließphasen B und die Öffnungsphasen A voneinander zu unterschieden. Die Teilfiguren 7b bis 14b veranschaulichen den Gasstrom. Die Teilfiguren 7c bis 14c veranschaulichen die Relation des jeweiligen Zustands bezogen auf die Rotation der Kurbelwelle 35. Zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle 35, also 720° KWW oder KW entsprechen dabei einem Arbeitszyklus oder Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1 .
In den Teilfiguren 7c bis 14c sind die unterschiedlichen Takte der einzelnen Zylinder 3 entsprechend dem Vier-Takt-Prinzip aufgeführt, nämlich als„Ansaugen" für den Ansaugtakt,„Verdichten" für den Verdichtungstakt,„Verbrennung" für den Verbrennungstakt und„Ausschieben" für den Ausschiebetakt.
Bemerkenswert ist, dass im vorliegenden Fall das jeweilige Zusatzventil 30 zum Steuern einer Abgasrückführrate verwendet wird. Dementsprechend ist in den Fig. 7a bis 14a die Einleitstelle 16 erkennbar, über die rückgeführtes Abgas in den jeweiligen Frischluftkanal 8' bzw. 8" bzw. in den Leitungsabschnitt 32 einge- leitet werden kann. Dementsprechend ist auch in den Fig. 7b bis 14b die jeweilige Rückführleitung 14 erkennbar.
Im Zustand gemäß Fig. 7 startet die Betrachtung bei 0°KW. Das Zusatzventil 30 steht bei einem Drehwinkel φ von 0° und erzeugt eine Schließphase B. Der erste Zylinder 3i befindet sich im Ansaugtakt, der zweite Zylinder 32 befindet sich im Verdichtungstakt und der dritte Zylinder 33 befindet sich im Verbrennungstakt. In diesem Zustand wird dem ersten Zylinder 3i verstärkt Abgas zugeführt, da durch die Schließphase B des Zusatzventils 30 die Zuführung von Frischluft unterbrochen ist.
Fig. 8 zeigt einen Zustand bei 120°KW. Jetzt steht das Zusatzventil 30 bei einem Drehwinkel φ von 90° und erzeugt eine Öffnungsphase A, so dass der erste Zylinder 3i nunmehr verstärkt mit Frischluft versorgt wird. Der zweite Zylinder 32 befindet sich hierbei am Übergang zum Verbrennungstakt. Der dritte Zylinder 33 befindet sich im Ausschiebetakt.
Fig. 9 zeigt nun den Zustand bei 240°KW. Das Zusatzventil 30 steht bei einem Drehwinkel φ von 180° und erzeugt eine Schließphase B. Folglich geht es jetzt um die Versorgung des dritten Zylinders 33 mit Abgas.
In Fig. 10 befindet sich das System bei 360°KW. Das Zusatzventil 30 zeigt einen Drehwinkel φ von 270° und ist offen. Hier geht es somit um die Versorgung des dritten Zylinders 33 mit Frischluft.
In Fig. 1 1 wird nun bei 480°KW und φ = 360° der zweite Zylinder 32 mit Abgas versorgt. Gemäß Fig. 12 wird bei 600°KW und φ = 90° der zweite Zylinder 32 mit Frischluft versorgt.
Bei Fig. 13 befindet sich das System im Zustand von 720°KW (φ =180°), so dass nun zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle 35 vollendet sind. Der Zustand gemäß Fig. 13 entspricht daher identisch dem Zustand gemäß Fig. 7.
Weitere 120°KW (φ = 270°) später zeigt sich der Zustand gemäß Fig. 14, der dem Zustand aus Fig. 8 entspricht.
Bemerkenswert ist, dass sich die Drehzahlen von Kurbelwelle 35 und Ventilglied 33 entsprechend einem Verhältnis von 4:3 zueinander bewegen.
Um die Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Größe bzw. hinsichtlich ihrer Zeitdauer variieren zu können, ist beim rotierenden Ventilglied 34 vorgesehen, die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds 34 zu verändern, und zwar dynamisch, also innerhalb einer einzigen Umdrehung des Ventilglieds 33. Sofern das Ventilglied 33 wie in den hier gezeigten Beispielen während einer vollständigen Umdrehung zwei Öffnungsphasen A und zwei Schließphasen B aufweist, kann die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds 33 so variiert werden, dass innerhalb einer einzigen Umdrehung zwei verschiedene Öffnungsphasen A realisiert werden können.
Wie sich den Fig. 4 bis 6 entnehmen lässt, kann das jeweilige Zusatzventil 30 zweckmäßig so betätigt werden, dass die Öffnungsphasen A eine vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 35 aufweisen. Beispielsweise befindet sich in Fig. 4 der Scheitelpunkt der jeweiligen Verlaufskurve der Öffnungsphase A jeweils bei etwa 120°KWW und bei Fig. 5 etwa mittig zur Erhebungskurve E des jeweiligen Einlassventils. Auch Fig. 6 lässt sich entnehmen, dass aufeinanderfolgende Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Scheitelpunkte bzw. ihrer Mittelpunkte oder Mitten jeweils den gleichen Abstand haben, nämlich 240° KWW.
Das Verändern der Öffnungsphasen A kann somit bevorzugt so durchgeführt werden, dass die vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel erhalten bleibt.
Zum Vergrößern der Öffnungsphase A ist es daher möglich, sowohl die vorausgehende als auch die nachfolgende Schließphase B zu verkleinern, und zwar derart, dass eine Periodendauer konstant bleibt. Die jeweilige Periodendauer bemisst sich beispielsweise durch den zeitlichen Abstand oder den Kurbelwellenwinkel zwischen den Mitten von zwei aufeinanderfolgenden Öffnungsphasen A. Bei den hier gezeigten Beispielen beträgt diese Periodendauer etwa
240°KWW. Sofern die Öffnungsphase A verkleinert werden soll, kann es zweckmäßig sein, die vorausgehende und die nachfolgende Schließphase B zu vergrößern, derart, dass die Periodendauer konstant bleibt.
Wie erwähnt, wird im gezeigten Beispiel das jeweilige Zusatzventil 30 dazu verwendet, die Abgasrückführrate zu steuern. Je länger die Schließphase B andauert, desto mehr Abgas kann angesaugt bzw. rückgeführt werden. Sofern das jeweilige Zusatzventil 30 zum Steuern der Abgasrückführrate verwendet wird, kann grundsätzlich auf die in Fig. 1 dargestellten Rückführventile 29 verzichtet werden.
Die unterschiedlichen Öffnungsphasen A berücksichtigen die unterschiedlichen Strömungspfade vom jeweiligen Zusatzventil 30 bis zum jeweiligen Zylinder 3-i , 32, 33 und reduzieren daraus resultierende Asymmetrien hinsichtlich der Versorgung des jeweiligen Zylinders 3 mit Frischluft bzw. mit rückgeführtem Abgas. Sofern wie im gezeigten Beispiel das jeweilige Zusatzventil 30 mit Hilfe eines Elektromotors 31 angetrieben wird, kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, den Elektromotor 31 mit einer stetigen Ansteuerfunktion f(x) anzusteuern. Diese Ansteuerfunktion f(x) ist zweckmäßig das Produkt aus zumindest zwei stetigen Teilfunktionen g(x) und h(x). Die beiden Teilfunktionen g(x) und h(x) sind insbesondere Sinusfunktionen. Die erste Teilfunktion g(x) ist beispielsweise eine Sinusfunktion erster Potenz, während die zweite Teilfunktion h(x) beispielsweise eine Sinusfunktion dritter Potenz sein kann. Besonders vorteilhaft ist nun eine Auslegung, bei welcher der Nulldurchgang der ersten Teilfunktion g(x) mit negativer Ableitung auf die Mitte der Öffnungsphase A des Zusatzventils 30 eingestellt wird. Gleichzeitig wird das Maximum der zweiten Teilfunktion h(x) auf die Mitte der Öffnungsphase A des Zusatzventils 30 eingestellt. Durch die vorgeschlagene Auslegung der Ansteuerfunktion f(x) lässt sich ein besonders harmonischer Verlauf für das Ventilglied 33 realisieren.
Wie sich Fig. 1 entnehmen lässt, besitzt die Fischluftanlage 7 stromab des jeweiligen Zusatzventils 30 bis zu den Gaswechselventilen 5, 6 und stromauf des jeweiligen Zusatzventils 30 keine steuerbare Drossel. Insoweit ist die Frischluftanlage 7 ungedrosselt bzw. drosselfrei ausgestaltet. Die Beladungssteuerung der einzelnen Zylinder 30 kann mit Hilfe des jeweiligen Zusatzventils 30 realisiert werden, nämlich durch die entsprechende Bemessung der Öffnungsphasen A.
Während die vorstehende Beschreibung weitgehend auf stationäre Betriebszu- stände der Brennkraftmaschine 1 abstellt, bei denen insbesondere gleichbleibende Drehzahlen und/oder gleiche Leistungen von der Brennkraftmaschine 1 gefordert werden, betrifft die nachfolgende Beschreibung das Verhalten der Steuerung 38 bzw. die Anpassung der Öffnungsphasen A bei unterschiedlichen Betriebszu- ständen. Abhängig vom Betriebszustand kann es nämlich erforderlich sein, die Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Länge zu verändern, beispielsweise um für den jeweiligen Betriebszustand optimale Werte für Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission zu erzielen. Dabei kann grundsätzlich die vorstehende Individualisierung der Öffnungsphasen A für die einzelnen Zylinder 3 unberücksichtigt bleiben. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher während eines stationären Betriebszustands den demselben Zusatzventil 30 zugeordneten Zylindern 3 unterschiedliche Öffnungsphasen zugemessen werden und bei welcher beim Wechsel zwischen zwei stationären Betriebszuständen die Öffnungsphasen A variiert werden können.
Mit anderen Worten, die zylinderspezifische oder lokale Variation der Öffnungsphasen A dient zur Homogenisierung der Zuführung von Frischluft bzw. von rückgeführtem Abgas bezüglich der einzelnen Zylinder 3. Die generelle oder globale Variation der Öffnungsphasen A dient zur Anpassung der Öffnungsphasen A aller Zylinder 3 an sich ändernde Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1. Diese beiden unterschiedlichen Variationen (global bzw. lokal) lassen sich grundsätzlich getrennt betrachten. Bevorzugt ist jedoch eine kombinierte Betrachtung, so dass die jeweilige Steuerung 38 auch bei sich ändernden Betriebszuständen und damit einhergehenden global variierten unterschiedlichen Öffnungsphasen A die lokale Variation zur Homogenisierung der Versorgung der einzelnen Zylinder 3 mit Frischluft bzw. rückgeführtem Abgas durch entsprechendes Adaptieren der Öffnungsphasen A realisiert.
Um nun die Öffnungsphasen A für eine Anpassung an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 variieren zu können, kann wie erläutert die Öffnungsdauer der jeweiligen Öffnungsphase A verändert werden. Hierzu lassen sich grundsätzlich ein Öffnungszeitpunkt und ein Schließzeitpunkt des Zusatzventils 30 verschieben. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine vorgehensweise, bei der zum Variieren der Öffnungsphasen A hinsichtlich ihrer Öffnungsdauer ausschließlich der Schließzeitpunkt der Öffnungsphase A hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel variiert wird, während der Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase A hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel konstant gehalten wird. Es hat sich gezeigt, dass diese Vorgehensweise besonders vorteilhaft ist hinsichtlich der erzielbaren Werte für Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen.
Die Fig. 15a bis 15f zeigen Erhebungskurven E für Einlassventile 5 und Erhebungskurven V für Auslassventile 6. Ferner sind die Schließphasen B und die Öffnungsphasen A des Zusatzventils 30 erkennbar. Des Weiteren enthält jedes Diagramm 15a bis 15f eine vertikale Linie 39, die den Öffnungszeitpunkt der Öffnungsphase A repräsentiert, die dem Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders 3 zugeordnet ist. Ferner definiert eine vertikale Linie 40 den Schließzeitpunkt, zu dem die jeweilige Öffnungsphase A beendet ist. Eine Öffnungsdauer 41 ergibt sich dann aus der Differenz von Schließzeitpunkt 40 und Öffnungszeitpunkt 39.
Die Fig. 15a bis 15f zeigen nun eine Abfolge unterschiedlicher Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 , die jeweils unterschiedlich große Öffnungsdauern 41 erfordern. In der Abfolge der Diagramme der Fig. 15a bis 15f nimmt besagte Öffnungsdauer 41 ab. Hierzu wird der Schließzeitpunkt 40 in Richtung kleinerer Kurbelwellenwinkel verschoben, während der Öffnungszeitpunkt 39 konstant bleibt.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das jeweilige Zusatzventil 30 ein permanent rotierendes Ventilglied 33 aufweisen, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase B bildenden Schließwinkelbereich ß und zumindest einen eine solche Öffnungsphase A bildenden Öffnungswinkelbereich α durchfährt, wobei zum Variieren des Schließzeitpunkts 40 die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds 33 innerhalb einer vollständigen Umdrehung variiert wird, so dass während der Öffnungsphasen A andere Rotationsgeschwindigkeiten vorliegen als während der Schließphasen B.
Beispielsweise kann dann zum Verkürzen der Öffnungsdauer 41 die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase A erhöht und in der Schließphase B reduziert werden, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts 39 zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt. Durch das Konstanthalten der Phasenlage des Öffnungszeitpunkts 39 beruht die Veränderung der Öffnungsdauer 41 ausschließlich auf einer Verschiebung des Schließzeitpunkts 40. Entsprechendes gilt für ein Vergrößern der Öffnungsdauer 41 , was dadurch erreicht wird, dass die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase A reduziert und in der Schließphase B erhöht wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts 39 zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
Entsprechend einer speziellen Ausführungsform kann für den jeweiligen Zylinder 3 der Öffnungszeitpunkt 39 der Öffnungsphase A des jeweiligen Zusatzventils 30 unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 mit einem durch die Gaswechselventile 5, 6 gesteuerten Einlassbeginn (Beginn der Erhebungskurve E des Einlassventils 5) zusammenfallen oder maximal einen Abstand von 10° Kurbelwellenwinkel oder maximal einen Abstand von 5° Kurbelwellenwinkel aufweisen. Ein derartiger Zusammenhang zwischen Öffnungszeitpunkt 39 und Einlassbeginn kann für eine vorbestimmte Betriebsstrategie einzuhalten sein, beispielsweise zur Optimierung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs mit niedrigen Schadstoffemissionen. Bei einer anderen Betriebsstrategie, die beispielsweise zu einer raschen Aufwärmung der Brennkraftmaschine 1 führen soll, können natürlich auch andere Zusammenhänge zwischen Öffnungszeitpunkt 39 und Einlassbeginn gewählt werden. Beispielsweise können für die eingangs genannte Wärmeladung (Miller-Verfahren bzw. Atkinson-Verfahren) andere Zusammenhänge von Öffnungszeitpunkt 39 und Einlassbeginn relevant sein. Die hier vorgeschlagene Variation der Öffnungsphasen A zur Adaption an sich ändernde Betriebszustände durch Verschieben des Schließzeitpunkts 40 und Konstanthalten des Öffnungszeitpunkts 39 kann bei Frischluftanlagen 7 durchgeführt werden, die für jeden Zylinder 3 ein separates Zusatzventil 30 aufweisen.
Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform kann der jeweilige Frischluftkanal 8', 8", in dem das jeweilige Zusatzventil 30 angeordnet ist, zu mehreren Zylindern 3 führen, so dass jeweilige Zusatzventil 30 mehreren Zylindern 3 zugeordnet ist, für die es jeweils separate Öffnungsphasen A erzeugt. Da sich ein derartiges Zusatzventil 30 mit hoher Dynamik betreiben und ansteuern lässt, kann es ausreichen, ein einziges Zusatzventil 30 mehreren Zylindern 3 zuzuordnen, um für die Zylinder 3 separate Öffnungsphasen A bereitstellen zu können. Insbesondere kann vorgesehen sein, das jeweilige Zusatzventil 30 so zu betreiben, dass es für die zugeordneten Zylinder 3 unterschiedlich große Öffnungsphasen A erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1 ), insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
wobei die Brennkraftmaschine (1 ) in einem Motorblock (2) mehrere mit Gaswechselventilen (5, 6) gesteuerte Zylinder (3) und eine den Zylindern (3) Frischluft zuführende Frischluftanlage (7) aufweist, die wenigstens ein Zusatzventil (30) aufweist, das in einem zu mindestens zwei Zylindern (3) führenden Frischluftkanal (8', 8") stromauf der zugehörigen Gaswechselventile (5, 6) angeordnet ist,
bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass sich Öffnungsphasen (A), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8") öffnet, und Schließphasen (B), in denen das Zusatzventil (30) den Frischluftkanal (8', 8") schließt, abwechseln,
bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass es für jeden zugeordneten Zylinder (3) eine separate Öffnungsphase (A) erzeugt, bei dem das jeweilige Zusatzventil (30) so betrieben wird, dass es für die zugeordneten Zylinder (3) unterschiedlich große Öffnungsphasen (A) erzeugt, die unmittelbar aufeinander folgen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Zusatzventil (30) ein permanent rotierendes Ventilglied (33) aufweist, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase (B) bildenden Schließwinkelbereich (ß) und zumindest einen eine solche Öffnungsphase (A) bildenden Öffnungswinkelbereich (a) durchfährt, wobei zum Verändern aufeinander folgender Öffnungsphasen (A) die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds (33) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Zusatzventil (30) so betätigt wird, dass die Öffnungsphasen (A) eine vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle (35) der Brennkraftmaschine (1 ) aufweisen,
dass das Verändern der Öffnungsphasen (A) so erfolgt, dass die vorbestimmte Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle (35) erhalten bleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass für den Fall, dass eine solche Öffnungsphase (A) vergrößert wird, die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase (B) verkleinert wird/werden, derart, dass eine Periodendauer konstant bleibt, und/oder dass für den Fall, dass eine solche Öffnungsphase (A) verkleinert wird, die vorausgehende und/oder die nachfolgende Schließphase (B) vergrößert wird/werden, derart, dass eine Periodendauer konstant bleibt,
wobei die jeweilige Periodendauer durch den zeitlichen Abstand zwischen den Mitten von zwei aufeinanderfolgenden Öffnungsphasen (A) gebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Zusatzventil (30) zum Steuern einer Abgasrückführrate verwendet wird, wobei sich die Abgasrückführrate antiproportional zur Größe der Öffnungsphase (A) verhält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Frischluftkanal (8', 8") vom jeweiligen Zusatzventil (30) zu den zugehörigen Zylindern (3) unterschiedliche Strömungspfade aufweist, die am jeweiligen Zylinder (3) bei gleichen Öffnungsphasen (A) zu Unterschieden in der Frischluft- befüllung und/oder Abgasrückführrate führen würden, wobei die unterschiedlichen Öffnungsphasen (A) so auf die unterschiedlichen Strömungspfade abgestimmt sind, dass die genannten Unterschiede reduziert, insbesondere eliminiert, werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Zusatzventil (30) ein mit Hilfe eines Elektromotors (31 ) permanent rotierend angetriebenes Ventilglied (33) aufweist, wobei der Elektromotor (31 ) zum Erzeugen variierender Rotationsgeschwindigkeiten während einer Umdrehung des Ventilglieds (33) mit einer stetigen Ansteuerfunktion (f(x)) angesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ansteuerfunktion (f(x)) das Produkt aus wenigstens zwei stetigen Teilfunktionen (g(x), h(x)) ist,
wobei insbesondere vorgesehen sein kann,
dass die jeweilige Teilfunktion (g(x), h(x)) jeweils eine Sinusfunktion beinhaltet,
dass eine erste Teilfunktion (g(x)) eine Sinusfunktion erster Potenz ist, dass eine zweite Teilfunktion (h(x)) eine Sinusfunktion dritter Potenz ist, dass der Nulldurchgang der ersten Teilfunktion (g(x)) mit negativer Ableitung auf die Mitte der Öffnungsphase (A) des Zusatzventils (30) eingestellt ist, dass das Maximum der zweiten Teilfunktion (h(x)) auf die Mitte der Öffnungsphase (A) des Zusatzventils (30) eingestellt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frischluftanlage (7) stromab des jeweiligen Zusatzventils (30) bis zu den Gaswechselventilen (5, 6) und stromauf des jeweiligen Zusatzventils (30) keine steuerbare Drossel enthält, und/oder
dass das jeweilige Zusatzventil (30) zur Beladungssteuerung der zugeordneten Zylinder (3) betrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Vier-Takt-Motor für jeweils drei Zylinder (3) ein einziges, diesen drei Zylindern (3) zugeordnetes Zusatzventil (30) vorgesehen ist, wobei insbesondere bei einem Vier-Takt-Motor mit genau drei Zylindern (3) genau ein solches Zusatzventil (30) vorgesehen ist oder bei einem Vier-Takt- Motor mit genau sechs Zylindern (3) genau zwei solche Zusatzventile (30) vorgesehen sind, die jeweils drei Zylindern (3) zugeordnet sind.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Öffnungsphasen (A) abhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1 ) variiert werden, um die Öffnungsphasen (A) an den aktuellen Betriebszustand anzupassen,
dass das Variieren der Öffnungsphasen (A) zum Anpassen an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1 ) so erfolgt, dass eine in Grad Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle (35) der Brennkraftmaschine (1 ) gemessene Öffnungsdauer (41 ) der Öffnungsphase (A) variiert wird, wozu ein Schließzeitpunkt (40) der Öffnungsphase (A) hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel variiert wird, während ein Öffnungszeitpunkt (39) der Öffnungsphase (A) hinsichtlich seiner Phasenlage zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Zusatzventil (30) ein permanent rotierendes Ventilglied (33) aufweist, das bei einer vollständigen Umdrehung zumindest einen eine solche Schließphase (B) bildenden Schließwinkelbereich (ß) und zumindest einen eine solche Öffnungsphase (A) bildenden Öffnungswinkelbereich (a) durchfährt, wobei zum Variieren des Schließzeitpunkts (41 ) die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilglieds (33) innerhalb einer vollständigen Umdrehung variiert wird, so dass während der Öffnungsphasen (A) andere Rotationsgeschwindigkeiten vorliegen als während der Schließphasen (B).
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Verkürzen der Öffnungsdauer (41 ) die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase (A) erhöht und in der Schließphase (B) reduziert wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts (39) zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt, und/oder
dass zum Vergrößern der Öffnungsdauer (41 ) die Rotationsgeschwindigkeit während der Öffnungsphase (A) reduziert und in der Schließphase(B) erhöht wird, derart, dass die Phasenlage des Öffnungszeitpunkts (39) zum Kurbelwellenwinkel konstant bleibt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Zylinder (3) der Öffnungszeitpunkt (39) der Öffnungsphase des jeweiligen Zusatzventils (30) und ein durch die Gaswechselventile (5, 6) gesteuerter Einlassbeginn zusammenfallen oder maximal einen Abstand von 10° Kurbelwellenwinkel oder maximal einen Abstand von 5° Kurbelwellenwinkel aufweisen.
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