DE102020214286A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100), bei der einem Zylinder (110) zwei Auslassventile (113, 114) zugeordnet sind, die jeweils einen eigenen Abgaskanal (130, 132) aufweisen, die in einen gemeinsamen Abgasstrang (134) münden, bei dem in einen der beiden Abgaskanäle (130) zumindest bei Bedarf Luft eingebracht wird, wobei das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal (130), in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, hinsichtlich eines Öffnungsverhaltens anders angesteuert wird als das andere Auslassventil (114), sowie eine Brennkraftmaschine (100)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der einem Zylinder zwei Auslassventile zugeordnet sind, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie eine Brennkraftmaschine.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotoren, kann bei Bedarf in den Abgasstrang Luft eingebracht werden - hier wird dann auch von sog. Sekundärlufteinblasung gesprochen -, um z.B. in einer Nachstartphase oder zum Heizen des Katalysators exotherme Reaktionen im Abgasstrang bzw. Abgastrakt einzuleiten. Damit kann zusätzliche Heizenergie bereitgestellt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Ottomotor, bei der einem Zylinder zwei Auslassventile zugeordnet sind, die jeweils einen eigenen Abgaskanal aufweisen, die dann in einen gemeinsamen Abgasstrang münden. Bei dem Abgaskanal (oder Abgasport) kann es sich z.B. um ein kurzes Stück handeln, das die Verbindung vom Auslassventil mit dem Abgasstrang herstellt. Dem Zylinder sind bei einer solchen Brennkraftmaschine dann typischerweise auch zwei Einlassventile zugeordnet, was für die vorliegenden Erfindung aber nicht relevant ist. Ebenso weist eine Brennkraftmaschine in der Regel nicht nur einen, sondern mehrere Zylinder auf, z.B. drei, vier, sechs oder acht, die dann gleichartig ausgebildet sind.
  • Wie eingangs schon erwähnt, kann bei einer Brennkraftmaschine Luft (sog. Sekundärluft) in den Abgasstrang eingebracht werden, um dort z.B. eine exotherme Reaktion hervorzurufen. Bei der Art von Brennkraftmaschine mit zwei Auslassventilen, wie vorstehend erwähnt, kann hierzu in einen der beiden Abgaskanäle Luft eingebracht werden, zumindest bei Bedarf. Wie sich herausgestellt hat, kann dies dazu führen, dass relativ viel Luft bzw. Sekundärluft in dem betreffenden Abgaskanal, in den die Luft eingebracht wird, dem Ausstoßtakt (des betreffenden Zylinders) vorgelagert wird, während im anderen Abgaskanal (dieses Zylinders) kaum Luft bzw. Sekundärluft vorgelagert wird.
  • Da im Vorauslassstoß zu Beginn der Auslassventilöffnung ein wesentlicher Teil des Abgasstromes, ein wesentlicher Teil der im Abgas enthaltenen Enthalpie und insbesondere auch ein wesentlicher Teil des Stromes an unverbrannten Abgasanteilen an beiden Auslassventilen zu gleichen Anteilen ausströmt, ist es aber wünschenswert, eine möglichst symmetrische Homogenisierung dieser unverbrannten Anteile mit der Sekundärluft zu erreichen. Die stark asymmetrische Vorlagerung von Sekundärluft widerspricht diesem Ziel.
  • Eine Möglichkeit wäre, Luft bzw. Sekundärluft in beide Abgaskanäle einzubringen. Damit kann aber, wie sich gezeigt hat, nicht das Optimum an Prozesssicherheit erreicht werden, insbesondere nicht bei ungünstigen Bedingungen, wie z.B. sehr tiefen Temperaturen und/oder großen Höhen.
  • Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, dass weiterhin nur in einen der beiden Abgaskanäle Luft bzw. Sekundärluft eingebracht wird (und zwar insbesondere auch nur in diesen einen), dass aber das betreffende Auslassventil, dem der Abgaskanal, in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, hinsichtlich eines Öffnungsverhaltens anders angesteuert wird als das andere Auslassventil. Insbesondere wird dabei das eine Auslassventil so angesteuert, dass es zu einem früheren Zeitpunkt weiter geöffnet ist als das andere Auslassventil. Dies kann insbesondere erreicht werden, wenn das betreffende Auslassventil früher geöffnet wird als das andere Auslassventil. Alternativ - oder auch zusätzlich - ist es bevorzugt, wenn das betreffende Auslassventil so angesteuert wird, dass es wenigstens zeitweise einen höheren momentanen Ventilhub hat als das andere Auslassventil. In diesem Zusammenhang kann auch von einem Phasing bzw. Phasenverstellung der Auslassventile gesprochen werden. Der konkrete Ansteuerungsverlauf, also z.B. der Hubverlauf der beiden Auslassventile und/oder der zeitliche Versatz kann je nach konkreter Situation bei der Brennkraftmaschine gewählt werden. Optimale oder zumindest möglichst gute Werte können z.B. anhand von Testmessungen oder Simulationen bestimmt werden.
  • Auf diese Weise wird dem Abgaskanal mit dem höheren Anteil an Sekundärluft auch der höhere Anteil der Abgasenthalpie und der unverbrannten Anteile aus dem Zylinder zugeführt. Damit kann die ungleichmäßige Verteilung der Sekundärluft auf die beiden Abgaskanäle ausgenutzt werden, eine zweite Einbringstelle um zweiten Abgaskanal ist nicht nötig.
  • Diese spezielle Ansteuerung der Auslassventile erfolgt bevorzugt nur während eines Vorliegens wenigstens eines Kriteriums, das z.B. ausgewählt ist aus: einem Einbringen von Luft in den Abgaskanal, einem Aufheizen eines Katalysators im Abgasstrang, und einer Nachstartphase der Brennkraftmaschine. In übrigen Zeiten kann eine reguläre Ansteuerung vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang ist auch zweckmäßig, wenn eine Brennkraftmaschine mit variablem Ventiltrieb verwendet wird. Die Ansteuerung der Auslassventile kann dann optimal angepasst werden, zumal die spezielle Ansteuerung dann in der Regel nur zeitweise erfolgt. Alternativ kann auch eine Brennkraftmaschine mit festem Ventiltrieb verwendet werden.
  • Bei einer Brennkraftmaschine, wie sie auch im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen wird, ist dann ein fester (bzw. nicht variabler) oder variabler Ventiltrieb vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass das Auslassventil, dem der Abgaskanal, in den die Luft einbringbar ist, zugeordnet ist, hinsichtlich eines Öffnungsverhaltens anders angesteuert wird als das andere Auslassventil, insbesondere früher geöffnet und/oder zumindest zeitweise mit einem höheren momentanen Ventilhub angesteuert wird. Die Abweichung der Ansteuerverläufe der Auslassventile sollte dann nur geringfügig von einer regulären Situation abweichen, da diese Ansteuerverläufe dann dauernd verwendet werden müssen.
  • Besondere Vorteile der Erfindung sind neben der besseren Homogenisierung von Sekundärluft mit unverbrannten Abgasbestandteilen, auch eine höhere Prozesssicherheit bzw. Robustheit durch die höhere Gastemperatur, da bei ungünstigen Situationen während der Zündphase im Vorauslassstoß Abgas-Enthalpie im Wesentlichen nur an einem kalten Auslassventil bzw. Abgaskanal verlorengeht und nicht an beiden. Bereits unvermeidbare zyklische Schwankungen im Arbeitsprozess bringen Verfahren ohne die vorgeschlagene Ansteuerung der Auslassventile an die Grenze der Zündtemperatur von ca. 1.700 K. Mit dem vorgeschlagenen Vorgehen kann dies verbessert werden, d.h. durch bessere Nachreaktionen im Abgasstrang kann die Zündtemperatur erhöht werden.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
    • 2 zeigt einen Hubverlauf zweier Auslassventile bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Brennkraftmaschine 100 weist beispielhaft vier Zylinder 110 auf, von denen nur einer bezeichnet ist und nachfolgend näher beschrieben werden soll.
  • Dem Zylinder 110 sind zwei Einlassventile 111, 112 und zwei Auslassventile 113, 114 zugeordnet. Über einen Luftfilter 120 kann Luft oder Frischluft über eine (primäre) Luftzufuhr 122 den Einlassventilen 111, 112 zugeführt werden. Den Auslassventilen 113, 114 ist jeweils ein Abgaskanal 130, 132 zugeordnet, die in einen gemeinsamen Abgasstrang 134 münden, in dem beispielsweise ein Katalysator 136 vorgesehen ist.
  • Über den Luftfilter 120 wird nun auch Luft in eine sekundäre Luftzufuhr abgezweigt, die eine Pumpe 124 sowie ein Ventil 126 umfasst. Von diesem aus kann Luft bzw. Sekundärluft über einen Einlass 128 in den Abgaskanal 130, der dem Auslassventil 113 zugeordnet ist, eingebracht werden. Die übrigen Zylinder können gleichartig ausgebildet und entsprechend an die primäre und sekundäre Luftzufuhr sowie den Abgasstrang angebunden sein.
  • Beispielhaft ist außerdem ein Ventiltrieb 140 angedeutet, mittels dessen die Auslassventile (und insbesondere auch die Einlassventile) angesteuert, d.h. geöffnet und geschlossen werden können. Im Falle eines festen Ventiltriebs sind z.B. für die Ventile Nocken vorgesehen, die entsprechend geformt sind. Im Falle eines variablen Ventiltriebs sind z.B. relativ zueinander verdrehbare Nocken oder individuell ansteuerbare Aktoren zum Öffnen und Schließen der Ventile vorgesehen. Zudem ist eine als Motorsteuergerät ausgebildete Recheneinheit 150 vorgesehen, mittels welcher die Brennkraftmaschine und ggf. der variable Ventiltrieb angesteuert werden können.
  • In 2 ist schematisch ein Hubverlauf zweier Auslassventile bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist ein Ventilhub h über einem Kurbelwellenwinkel φ aufgetragen. Mit V1 und V2 sind nun Hubverläufe der beiden Auslassventile eins Zylinders - es kann sich hierbei um die Auslassventile 113 und 114 gemäß 1 handeln - dargestellt.
  • Mit dem Winkel φ0 soll beispielhaft der Auslasstakt des betreffenden Zylinders beginnen, d.h. die beiden Auslassventile werden geöffnet. Es ist nun zu sehen, dass zwar beide Auslassventile mit zunehmendem Kurbelwellenwinkel immer weiter geöffnet werden, d.h. der Hub nimmt zu. Allerdings wird das Auslassventil 113, dem der Abgaskanal 130, in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, schneller geöffnet bzw. stärker angehoben als das andere Auslassventil 114. Vielmehr wird das Auslassventil 114 zunächst nur sehr langsam geöffnet. Somit ist das Auslassventil 113 zu einem früheren Zeitpunkt (hier ständig zwischen φ0 und φ1) weiter geöffnet als das Auslassventil 114.
  • Dies führt dazu, dass durch dieses Auslassventil 113 mehr Abgas - und damit mehr unverbrannte Anteile - aus dem Zylinder in den zugehörigen Abgaskanal 130 ausgebracht werden als durch das andere Auslassventil 114 in den dortigen Abgaskanal 132. Da in diesem Abgaskanal 130 auch der höhere Anteil an Sekundärluft vorliegt, kann eine bessere Homogenisierung von Sekundärluft mit unverbrannten Abgasbestandteilen erfolgen. Zudem wird auch eine höhere Prozesssicherheit bzw. Robustheit durch die damit einhergehende, höhere Gastemperatur erreicht.
  • Ab dem Winkel φ1 sollen die beiden Hubverläufe V1 und V2 beispielhaft identisch verlaufen, da dann z.B. die erforderliche Homogenisierung schon erreicht ist, zumal der größte Anteil an unverbrannten Abgasanteile zu Beginn ausgestoßen wird. Der weitere - nicht mehr dargestellte - Verlauf kann dann einem üblichen Verlauf eines Ausstoßtaktes folgen.
  • Alternativ oder zusätzlich wäre es auch denkbar, den Beginn des Öffnungszeitpunktes bzw. des Öffnungswinkels des Auslassventils 113 vor demjenigen des Auslassventils 114 anzusetzen. Hierfür könnte z.B. der Verlauf V1 beibehalten werden und der Verlauf V2 zwar gleichartig dem Verlauf V1, aber zeitlich (bzw. in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel) nach hinten versetzt werden. Mit anderen Worten würde das Auslassventil 113 z.B. zum Winkel φ0 öffnen, das Auslassventil 114 hingegen erst später. Somit wäre auch dann das Auslassventil 113 zu einem früheren Zeitpunkt (hier ständig ab φ0) weiter geöffnet als das Auslassventil 114. Ebenso können natürlich - je nach Situation - auch beide Variationen kombiniert werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100), bei der einem Zylinder (110) zwei Auslassventile (113, 114) zugeordnet sind, die jeweils einen eigenen Abgaskanal (130, 132) aufweisen, wobei in einen der beiden Abgaskanäle (130) Luft eingebracht wird, wobei das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal (130), in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, hinsichtlich eines Öffnungsverhaltens anders angesteuert wird als das andere Auslassventil (114).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal, in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, so angesteuert wird, dass es zu einem früheren Zeitpunkt weiter geöffnet ist als das andere Auslassventil (114).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal, in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, früher geöffnet wird als das andere Auslassventil (114).
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal, in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, so angesteuert wird, dass es wenigstens zeitweise einen höheren momentanen Ventilhub hat (h) als das andere Auslassventil (114).
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal, in den die Luft eingebracht wird, zugeordnet ist, hinsichtlich des Öffnungsverhaltens nur während eines Vorliegens wenigstens eines Kriteriums anders angesteuert wird als das andere Auslassventil (114).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das wenigstens eine Kriterium ausgewählt ist aus: einem Einbringen von Luft in den Abgaskanal (130), einem Aufheizen eines Katalysators (136) im Abgasstrang (134), und einer Nachstartphase der Brennkraftmaschine (100).
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Brennkraftmaschine (100) mit variablem Ventiltrieb (140) verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Brennkraftmaschine mit festem Ventiltrieb verwendet wird.
  9. Brennkraftmaschine (100), bei der einem Zylinder (110) zwei Auslassventile (113, 114) zugeordnet sind, die jeweils einen eigenen Abgaskanal (130, 132) aufweisen, und bei der in einen der beiden Abgaskanäle (130) zumindest bei Bedarf Luft einbringbar ist, mit einem Ventiltrieb, der derart ausgebildet ist, dass das Auslassventil (113), dem der Abgaskanal (130), in den die Luft einbringbar ist, zugeordnet ist, hinsichtlich eines Öffnungsverhaltens anders angesteuert wird als das andere Auslassventil (114), insbesondere früher geöffnet und/oder zumindest zeitweise mit einem höheren momentanen Ventilhub (h) angesteuert wird.
  10. Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  11. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
  12. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.
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