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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Teil einer Energie, die beim Verbrennen einer bestimmten Menge Kraftstoff in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors freigesetzt wird, von einem Kühlmedium aufgenommen wird, und bei dem dieser Teil dieser Energie durch Änderung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors in gesteuerter Weise variiert wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach dem oben genannten Verfahren.
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Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung ist jeweils aus der
DE 196 44 402 C2 bekannt.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben von Verbrennungsmotoren werden üblicherweise so optimiert, dass der Verbrennungsmotor mit einem möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrad arbeitet. Bekanntlich wird bei Verbrennungsmotoren die chemische Energie des verbrannten Kraftstoff/Luft-Gemisches in erster Näherung in mechanisch nutzbare Arbeit und in Abwärme umgewandelt, die zum Teil mit dem Abgas abtransportiert wird und zum Teil von einem Kühlmedium des Verbrennungsmotor aufgenommen wird. Als Kühlmedien kommen bekanntlich insbesondere Luft und Wasser enthaltende Kühlflüssigkeiten sowie Öl in Frage.
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Die vom Kühlmedium abgeführte Wärme wird über Wärmetauscher zur Beheizung des Fahrzeuges benutzt. Während bei früheren Verbrennungsmotoren etwa ein Drittel der Verbrennungsenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wurde, ein weiteres Drittel vom Abgas abgeführt wurde, und das verbleibende Drittel das Kühlmedium aufheizte, erreichen moderne Verbrennungsmotoren höhere thermodynamische Wirkungsgrade. So ereichen beispielsweise aufgeladene Dieselmotoren mit Direkteinspritzung thermodynamische Wirkungsgrade von etwa 45%. Wirkungsgradsteigerungen lassen sich auch bei Ottomotoren durch die Benzindirekteinspritzung erzielen.
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Mit der an sich erwünschten Wirkungsgradsteigerung geht zwangsläufig eine Verringerung der vom Kühlmedium aufzunehmenden Wärmemenge einher. Als Folge verringert sich bei gleichbleibender Dimensionierung der Wärmetauscher, die zur Beheizung des Fahrzeuges verwendet werden, die Wärmemenge, die für die Beheizung des Fahrzeugs zur Verfügung steht.
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Aus diesem Grund werden insbesondere Kraftfahrzeuge, die von aufgeladenen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung angetrieben werden, mit separaten Zusatzheizern ausgerüstet. Separate Zusatzheizer, die entweder Kraftstoff in einer eigenen Brennkammer verbrennen oder die elektrisch arbeiten, sind teuer und erhöhen auf Grund ihres Gewichtes auch dann den Verbrauch, wenn sie nicht aktiviert sind.
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Aus der
DE 102 60 781 A1 ist ein Verfahren zur Beheizung eines Innenraumes eines Fahrzeugs bekannt, bei dem die Abgasrückführung über einen Wärmetauscher zur Innenraumheizung genutzt wird.
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Aus der
DE 102 49 541 A1 ist ein Kühl- und Heizungskreislauf für Kreftfahrzeuge bekannt, bei dem der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei hohem Kabinenheizleistungsbedarf künstlich erhöht wird.
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Aus der
EP 1 04 835 A2 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem der Fahrgastraum mit dem Kühlmittel der Brennkraftmaschine geheizt wird.
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Aus der
DE 100 29 231 A1 ist eine Vorrichtung zur Erhöhung der Heizleistung im Fahrgastraum bekannt, das das Brennkraftmaschinensteuergerät zur Ausführung von Maßnahmen zur Erhöhung der Brennkraftmaschinenabwärme veranlasst.
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In der
DE 196 44 402 C1 wird ausgeführt, dass die Kühlwasserwärme von verbrauchsoptimierten Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden Dieselmotoren, im unteren Lastbereich oft gering ist, so dass eine angemessene Fahrzeugheizung durch Ausnutzung der Wärme des Kühlmediums aus dem Motorkühlkreislauf über einen Heizwärmetauscher nicht mehr möglich ist. Darüber hinaus verlängere sich auch die Zeitspanne bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotor, was für die Schadstoffemissionen und, bei häufigen Kaltstarts, für die Lebensdauer des Verbrennungsmotors nachteilig sei.
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In der
DE 196 44 402 wird zur Abhilfe vorgeschlagen, die Steuerung einer Dieseleinspritzung in Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt bei zu niedriger Wärmeabgabe des Kühlmediums an den Heizwärmetauscher zu verändern. Dabei soll die Veränderung so erfolgen, dass die Einspritzung im Bereich niedriger Lasten verspätet erfolgt, wobei der für optimale Leistung des Verbrennungsmotors verwendete Einspritzzeitpunkt als Bezugszeitpunkt dient.
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Dadurch, dass die Verweilzeit des heißen Verbrennungsgases in einem Brennraum des Verbrennungsmotors durch die Zeitspanne zwischen dem Beginn der Verbrennung, die beim Dieselmotor durch die Einspritzung ausgelöst wird, und dem Öffnen des Auslaßventils des Verbrennungsmotors bestimmt wird, hat diese Maßnahme eine Verkürzung der Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase im Brennraum zur Folge.
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Nach der
DE 196 44 402 ergibt sich als Folge eine Wirkungsgradverschlechterung, die zur erhöhten Erzeugung von Wärme führt und den Wärmeeintrag in das Kühlmedium vergrößert. Auf eine erhöhte Wärmeabfuhr durch das Abgas wird in dieser Schrift nicht eingegangen. Dass eine verspätete Zündung und/oder Einspritzung zu einer Steigerung der Abgastemperatur führt, ist allgemein bekannt. Da die vom Abgas abgeführte Wärme im Allgemeinen nicht zur Heizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht, kann ein Teil der durch die Wirkungsgradverschlechterung erzeugten Mehrwärme nicht in der gewünschten Weise für die schnellere und intensivere Erwärmung des Kühlmediums genutzt werden.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erhöhen des Anteils der Verbrennungsenergie, die in das Kühlmedium eingetragen wird. Dabei soll der Anteil der Verbrennungswärme, der mit dem Abgas abgeführt wird, möglichst wenig erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird im Bezug auf Verfahrensaspekte durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit der Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzen den Vorteil, dass der Wirkungsgrad der vorgenommenen Änderungen, also die erreichte Steigerung des Wärmeeintrages bezogen auf die dadurch hervorgerufene Verschlechterung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors, verbessert ist. Dadurch muss nur wenig zusätzlicher Kraftstoff für das Erreichen der gewünschten Heizwirkung aufgewendet werden. Weiter können durch die vorgeschlagenen innermotorischen Maßnahmen weitere Vorteile gegenüber anderen bekannten Lösungen, die separate Kraftstoffzuheizer verwenden, erreicht werden.
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Diese Vorteile ergeben sich dadurch, dass der im Rahmen dieser Erfindung zur Heizleistungserhöhung verwendete Zusatzkraftstoffbedarf im Verbrennungsmotor sauber verbrennt und das resultierende Abgas ohne zusätzliche Leitungen und Führungen durch ein vorhandenes Abgasnachbehandlungssystem behandelt wird. Im Vergleich zu elektrischen Zuheizern ergibt sich als Vorteil, dass Generator und Batterie kleiner dimensioniert sein können. Außerdem entfallen Wirkungsgradverluste, die durch die bei elektrischen Zuheizern erforderliche Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie im Verbrennungsmotor und die nachfolgende Umwandlung in elektrische Energie durch den Generator entstehen.
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Die Verweildauer wird durch eine Verschiebung eines Verbrennungsschwerpunktes erhöht, wobei die Verschiebung so erfolgt, dass der verschobene Verbrennungsschwerpunkt vor einem Verbrennungsschwerpunkt liegt, bei dem ein aus der Verbrennung resultierendes Drehmoment des Verbrennungsmotors maximal ist.
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Nach der in der Motortechnik üblichen Definition entspricht der Verbrennungsschwerpunkt demjenigen Kurbelwinkel, bei dem die Hälfte des insgesamt während eines Arbeitstaktes verbrennenden Kraftstoffs bereits verbrannt ist. Durch die Vorverlegung des Verbrennungsschwerpunktes wird die Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase in den Brennräumen verlängert, so dass mehr Wärme über die Wände der Verbrennungsräume in das Kühlmedium gelangt. Darüber hinaus wird durch eine Vorverlegung des Verbrennungsschwerpunktes weniger mechanische Arbeit aus der Verbrennung der Brennraumfüllung gewonnen, so dass die Brennraumfüllung zu erhöhen ist, um ein gleichbleibendes Drehmoment zu erzielen. Die Erhöhung der Brennraumfüllung bei verringertem Wirkungsgrad steigert ebenfalls die im Brennraum freigesetzte Wärme und damit auch den Wärmeeintrag in das Kühlmedium.
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Die Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes erfolgt so, dass ein aus Verbrennungen resultierender Druckverlauf in den Brennräumen früher ansteigt und insgesamt flacher verläuft.
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Da ein schnell ansteigender, hohe Enddrücke erreichender Druckverlauf das Entstehen von klopfenden Verbrennungen fördert, wirkt ein flacherer Druckverlauf direkt der Ursache von klopfenden Verbrennungen entgegen. Durch den flacheren Druckverlauf ergeben sich darüber hinaus auch geringere Verbrennungstemperaturen, was die Bedingungen für die Entstehung unerwünschter NOx-Emissionen verschlechtert.
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Ferner wird ein Auslassventil des Brennraumes später geöffnet.
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Durch diese Maßnahme, die eine variable Ventilsteuerung voraussetzt, wird die Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase in dem Brennraum verlängert. Außerdem wird der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verringert, da ein späteres Öffnen des Auslassventils zu einer Verdichtung des heißen Restgase führt, die dem Verbrennungsmotor mechanische Energie entzieht. Eine Kompensation dieses Effektes durch eine vergrößerte Brennraumfüllung trägt ebenfalls zu einem vergrößerten Wärmeübergang in das Kühlmedium bei. Außerdem kann durch das verspätete Öffnen des Auslassventils der Restgasanteil der folgenden Brennraumfüllung erhöht werden, was einen flacheren Druckverlauf begünstigt und die Klopfneigung verringert.
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Ferner ist bevorzugt, dass der frühere Anstieg und flachere Druckverlauf durch eine Änderung des zeitlichen Verlaufs von Einspritzungen von Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum des Verbrennungsmotors erfolgt.
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Durch diese Maßnahme kann insbesondere bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung der Brennverlauf in der gewünschten Weise geformt werden.
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Weiter ist bevorzugt, dass eine Einspritzung eines bestimmten Kraftstoffanteils, der auf die zu einer Verbrennung gehörende Einspritzmenge normiert ist, früher erfolgt.
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Durch die frühere Einspritzung beginnt insbesondere bei Dieselmotoren, bei denen bekanntlich die Verbrennung durch die Einspritzung von Kraftstoff in hochverdichtete Luft ausgelöst wird, die Verbrennung früher, was zu der gewünschten Verlagerung des Verbrennungsschwerpunktes führt.
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Die letzten beiden vorgenannten Maßnahmen sind nur bei Direkteinspritzung anwendbar, während die übrigen Maßnahmen auch bei Verbrennungsmotoren mit äußerer Gemischbildung durch Saugrohreinspritzung oder Vergaser anwendbar sind.
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Ferner ist bevorzugt, dass eine Verbrennung der bestimmten Menge Kraftstoff früher ausgelöst wird.
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Dadurch kann bei Ottomotoren durch eine früher erfolgende Zündung der Verbrennungsschwerpunkt in der gewünschten Weise vorverlegt werden.
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Dabei ist bevorzugt, dass parallel eine Erhöhung der Abgasrückführrate erfolgt.
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Die Erhöhung der Abgasrückführrate führt zu einer Erhöhung des Inertgasanteils an der Brennraumfüllung, der bei einer Verbrennung keine Energie zur Drucksteigerung freisetzt. Daher trägt eine Erhöhung der Abgasrückführrate zu dem Ereichen des gewünschten flacheren Druckverlaufs bei.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Bewegung von Füllungen oder Ladungen des wenigstens eines Brennraumes verringert wird.
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Eine hohe Ladungsbewegung fördert ein schnelles Entzünden und Durchbrennen der gesamten Zylinderfüllung. Daher trägt ein Verlangsamen der Ladungsbewegung zu einer langsameren Verbrennung und damit zu einer Intensivierung des Wärmeübergangs zum Kühlmedium bei.
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Die genannten bevorzugten Ausgestaltungen werden vorzugsweise mit wenigstens einer Maßnahme zur Erhöhung einer Ladungswechselarbeit kombiniert.
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Als Maßnamen zur Erhöhung der Ladungswechselarbeit kommen insbesondere folgende Einzelmaßnahmen in Frage:
das Schließen von gegebenenfalls vorhandenen Drall- und Drosselklappen; bei variabler Ventilsteuerung in Verbindung
mit mehreren Einlasskanälen pro Zylinder/Brennraum das Geschlossenhalten eines Einlasskanals; ebenfalls bei variabler Ventilsteuerung, das Verringern des Ventilhubs; bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, das Erhöhen des Ladedrucks.
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Die genannten Maßnahmen entziehen dem Verbrennungsmotor mechanische Energie und verschlechtern damit seinen thermodynamischen Wirkungsgrad. Die Kompensation der Wirkungsgradverschlechterung durch eine erhöhte Brennraumfüllung vergrößert den Eintrag von Verbrennungswärme in das Kühlsystem.
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Mit Blick auf die oben genannte Vorrichtung ist bevorzugt, das die Vorrichtung eines der oben genannten Verfahren und Ausgestaltungen steuert.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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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.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und erden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine Gesamtansicht eines Verbrennungsmotors mit verschiedenen, mit dem Verbrennungsmotor zusammenwirkenden Komponenten;
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2 qualitativ verschiedene Druckverläufe, wie sie sich in einem Brennraum des Verbrennungsmotors in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einstellen;
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3 qualitativ eine Verschiebung eines Verbrennungsschwerpunktes;
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4 qualitativ verschiedene Einspritzverläufe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und nach dem Stand der Technik;
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5 schematisch eine Einlasskanalführung mit zwei Einlasskanälen zur Veranschaulichung von Eingriffsmöglichkeiten, die im Rahmen eines Ausführungsbeispiels nutzbar sind; und
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6 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt die Gesamtansicht eines Verbrennungsmotors 10 im Teilschnitt. Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorblock 12 auf, in dem wenigstens ein Brennraum 14 durch einen Kolben 16 beweglich abgedichtet wird. Brennraum 14 wird weiter durch einen Zylinderkopf 17 begrenzt, in dem wenigstens ein Einlassventil 18 und wenigstens ein Auslassventil 20 pro Brennraum 14 geführt sind. Einlassventil 18 wird von einem Einlassventilsteller 22 betätigt. Auslassventil 20 wird durch einen Auslassventilsteller 24 betätigt. Einlassventilsteller 22 und Auslassventilsteller 24 können durch im Zylinderkopf 17 gelagerte Nockenwellen realisiert sein. Alternativ können pneumatische oder elektrohydraulische Aktoren zur Betätigung der Einlassventile 18 und Auslassventile 20 dienen.
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Mit den genannten Ventilen wird der Wechsel der Füllung des Brennraums 14 gesteuert. Bei geöffnetem Einlassventil 18 saugt der abwärtslaufende Kolben 16 Gas aus dem Saugrohr 26 an. Die Menge der angesaugten Luft kann bei einer vollvariablen Ventilsteuerung über eine entsprechende Ansteuerung des Einlassventilstellers 22 gesteuert werden. Alternativ dazu kann die Menge der angesaugten Luft durch eine Drosselklappe 28 im Saugrohr 26 gesteuert werden, die von einem Drosselklappensteller 30 durch Steuerbefehle von einem Steuergerät 32 gesteuert werden. Eine solche Steuerung mit Hilfe einer Drosselung durch das Einlassventil 18 oder durch die Drosselklappe 28 ist für einen Ottomotor typisch, während Dieselmotoren üblicherweise ungedrosselt Luft ansaugen.
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Dem Steuergerät 32 werden wenigstens Signale eines Fahrpedalgebers 33, das die Momentenanforderung durch den Fahrer repräsentiert, sowie ein Signal über die angesaugte Luftmenge von einem Luftmassenmesser 34 und ein Signal über die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 von einem Drehzahlsensor 36 zugeführt. Auf der Basis dieser Signale steuert das Steuergerät 32 weiter wenigstens ein Einspritzventil 38 pro Brennraum 14 an. In der Darstellung der 1 steuert Steuergerät 32 darüber hinaus eine Zündkerze 40 an. Bekanntlich ist eine Fremdzündung durch eine Zündkerze 40 für Ottomotoren typisch, während Dieselmotoren bekanntlich mit Selbstzündung arbeiten, bei der die Verbrennung durch das Einspritzen von Kraftstoff in hochverdichtete Luft im Brennraum 14 ausgelöst wird. Die Darstellung der 1 erstreckt sich daher sowohl auf Dieselmotoren als auch auf Ottomotoren, wobei bei Dieselmotoren die Zündkerze 40 nicht vorhanden zu sein braucht.
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Nach der Verbrennung werden die Restgase über das geöffnete Auslassventil 22 in ein Abgasrohr 42 geleitet, wobei das Ausstoßen der verbrannten Gase aus dem Brennraum 14 durch den aufwärtslaufenden Kolben 16 unterstützt wird. Über eine Verbindung 44 zwischen Abgasrohr 42 und Saugrohr 26 kann Abgas an die Ansaugseite des Verbrennungsmotors 10 zurückgeführt werden. Dabei wird die Menge des zurückgeführten Gases von dem Steuergerät 32 durch Ansteuerung eines Abgasrückführventils 46 gesteuert. Während ein Teil der im Verbrennungsraum 14 freigesetzten Energie den Kolben 16 nach unten treibt und dadurch mechanische Arbeit verrichtet, wird ein weiterer Teil der freigesetzten Energie in Form von Wärme über das Abgasrohr 42 abgeführt.
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Der verbleibende Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Energie wird über Wände des Motorblocks 12 und des Zylinderkopfs 17 einem Kühlmedium 48 zugeführt, das in dem Verbrennungsmotor 10 durch eine Pumpe angetrieben zirkuliert. Das Kühlmedium 48, meist eine auf Wasser basierende Flüssigkeitsmischung, wird im Allgemeinen durch einen nicht dargestellten Kühler geleitet, in dem es vom Fahrtwind abgekühlt wird. Zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums, der in der 1 nicht dargestellt ist, dient ein Wärmetauscher 54, der über Leitungen 50 und 52 mit dem im Verbrennungsmotor 10 zirkulierenden Kühlmedium 48 verbunden ist. Das durch den Wärmetauscher 54 strömende Kühlmedium 48 gibt einen Teil seiner Wärme an einen Luftstrom ab, der den Wärmetauscher 54 durchströmt und der in der 1 durch einen Pfeil 56 präsentiert wird. Der aufgeheizte Luftstrom wird über nicht dargestellte Leitungen in das Fahrzeuginnere geleitet und heizt den Fahrzeuginnenraum auf.
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Erfindungsgemäß wird die Verweilzeit des heißen Verbrennungsgases in dem Brennraum 14 verlängert, wenn das Steuergerät 32 einen erhöhten Heizleistungsbedarf erkennt. Die Verweilzeit des heißen Verbrennungsgases in dem Brennraum 14 ist durch die Zeitspanne zwischen dem Auslösen der Verbrennung der Brennraumfüllung und dem Öffnen des Auslassventils 20 definiert. Erfindungsgemäß wird diese Verweilzeit durch eine Vorverlegung des Zeitpunktes, zu dem die Verbrennung ausgelöst wird, und/oder durch eine Verspätung des Zeitpunkts, zu dem das Auslassventil 20 öffnet, verlängert.
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In der 2 repräsentiert die Druckverlaufskurve 64 einen Druckverlauf im Brennraum 14, wie er sich ohne Auslösen einer Verbrennung einstellt. Dabei ergibt sich das Druckmaximum in der Druckverlaufskurve 64 im Bereich des oberen Totpunktes OT des Kolbens 16 durch die von dem Kolben 16 an der im Brennraum 14 eingeschlossenen Brennraumfüllung verrichteten Kompressionsarbeit. Die Druckverlaufskurve 66 zeigt im Vergleich dazu ein überhöhtes Maximum, das durch eine Verbrennung der Brennraumfüllung des Brennraums 14 ausgelöst wird. Dabei wird die Brennraumfüllung im Normalfall, d. h. wenn kein erhöhter Heizleistungsbedarf besteht, durch eine zum Zeitpunkt t1 ausgelöste und mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnete Zündung ausgelöst. Dabei ist der Zündzeitpunkt t1 so vorbestimmt, dass sich das Maximum des Druckanstiegs des Druckverlaufs 66 nach dem Durchlaufen des oberen Totpunktes einstellt. Um genau zu sein, der Zeitpunkt t1 ist im Allgemeinen so vorbestimmt, dass das aus dem Druckverlauf 66 über dem Kolben 16 resultierende, auf einen Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors 10 übertragene Drehmoment maximal ist.
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Erfindungsgemäß wird dann, wenn das Steuergerät 32 einen erhöhten Heizleistungsbedarf feststellt, die Verbrennung zu einem früheren Zeitpunkt t2 ausgelöst, was in der 2 durch das Bezugszeichen 72 repräsentiert wird. Dadurch setzt der Druckanstieg früher ein. Um einen unerwünscht schnellen Druckanstieg nach der vorverlegten Zündung 72 zu vermeiden, kann bspw. der Inertgasanteil der Brennraumfüllung des Brennraums 14 durch ein Öffnen des Abgasrückführventils 46 vor dem Ansaugen der Brennraumfüllung erhöht werden.
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Im Idealfall stellt sich ein Druckverlauf ein, wie er in der 2 durch die Ziffer 68 repräsentiert wird. Dieser Druckverlauf zeichnet sich dadurch aus, dass er im Vergleich zu dem Druckverlauf der regulären Verbrennung 66 früher ansteigt, insgesamt breiter ist und flacher verläuft. Dadurch wird nicht nur die Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase im Brennraum 14 erhöht, sondern es kann zusätzlich der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 reduziert werden. Diese Reduzierung ergibt sich daraus, dass ein Teil der Druckverlaufskurve 68 bereits vor dem Durchlaufen des oberen Totpunktes OT stark gegenüber der Druckverlaufskurve 64 erhöht ist. Als Folge wird der noch auf den oberen Totpunkt OT zulaufende Kolben 16 von dem nach der Auslösung der Verbrennung einsetzenden Druckanstieg gebremst.
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Der Verlust an mechanischer Leistung, der dadurch bedingt ist, wird vom Steuergerät 32 über eine Ansteuerung der Drosselklappe 28 und/oder des Einlassventilstellers 22 ausgeglichen, indem die Brennraumfüllung erhöht wird. Dadurch wird bei einer Verbrennung entsprechend dem Druckverlauf 68 eine größere Brennraumfüllung verbrannt als bei einer regulären Verbrennung entsprechend dem Druckverlauf 66, wenn in beiden Fällen das gleiche Drehmoment erzeugt wird. Dadurch wird in dem Fall der Druckverlaufskurve 68 insgesamt die im Brennraum 14 freigesetzte Wärmemenge und damit die in das Kühlmedium 48 übertragene Wärmemenge bedarfsgerecht erhöht.
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Die Ziffer 74 in der 2 bezeichnet den regulären Öffnungszeitpunkt des Auslassventils 20, der üblicherweise im Bereich von 40 bis 90 Grad vor dem unteren Totpunkt UT liegt. Zur Verlängerung der Verweilzeit der heißen Verbrennungsphase im Brennraum kann dieser Zeitpunkt bei einer variablen Ventilsteuerung nach hinten verlegt werden. Die Ziffer 76 in der 2 repräsentiert einen solchen verschobenen Öffnungszeitpunkt des Auslassventils 20 und der Pfeil 78 veranschaulicht zusätzlich die Richtung einer solchen Verschiebung.
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Die Darstellung der 2 gilt sowohl für einen Ottomotor als auch für einen Dieselmotor. Bei einem Ottomotor entsprechen die Auslösungen 70, 72 von Verbrennungen jeweils den Zeitpunkten, zu dem das Steuergerät 32 über einen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten Hochspannungserzeugungskreis die Zündkerze 40 ansteuert. Im Fall eines Dieselmotors entsprechen die mit 70, 72 bezeichneten Zeitpunkte jeweils dem Beginn einer Einspritzung von Kraftstoff in die hochverdichtete Füllung des Brennraums 14 mit Luft.
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3 veranschaulicht, wie ein Verbrennungsschwerpunkt 58, der zu einer regulären Verbrennung und damit zu der Druckverlaufskurve 66 in der 2 korrespondiert, verschoben wird. Der reguläre Verbrennungsschwerpunkt 58 liegt, wie in 3 dargestellt, nach dem oberen Totpunkt OT. Durch die Verschiebung 62 wird der Verbrennungsschwerpunkt 60 in eine Position 60 verschoben, die näher bei OT liegt. Wie bereits oben erwähnt, entspricht der Verbrennungsschwerpunkt dem Zeitpunkt, zu dem die Hälfte der bei einer Verbrennung zu verbrennenden Kraftstoffmenge bereits verbrannt ist.
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4 zeigt verschiedene Einspritzverläufe über der Zeit. Die Ziffer 80 in der 4 bezeichnet die Einhüllende einer in drei Teileinspritzungen aufgeteilten Einspritzung. Dabei entspricht die mit 82 bezeichnete Kurve einer Voreinspritzung, die mit 84 bezeichnete Kurve entspricht einer Haupteinspritzung und die mit 86 bezeichnete Kurve entspricht einer Nacheinspritzung. Die durch die Einhüllende 80 bzw. durch die Kurven 82, 84 und 86 definierte Einspritzung entspricht einer regulären Verbrennung. Die Ziffer 87 in der 2 veranschaulicht dagegen, einen veränderten Einspritzverlauf, der früher einsetzt und später endet.
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Durch das frühere Einsetzen und spätere Enden wird der Zeitraum, in dem Wärme in dem Brennraum 14 freigesetzt wird, verlängert. Dabei entspricht der mit der Ziffer 87 gezeichnete Einspritzverlauf gewissermaßen der Einhüllenden 86 von Einzeleinspritzungen 82, 84 und 86. Dementsprechend kann auch der Einspritzverlauf 87 aus mehreren Einzeleinspritzungen aufgebaut sein, die von der Einhüllenden 87 umschlossen werden. Selbstverständlich ist die Aufteilung der Einspritzmenge nicht auf die gezeigte Aufteilung auf drei Teileinspritzungen beschränkt. Stattdessen kann auch eine, zwei oder eine beliebige andere Zahl von Teileinspritzungen verwendet werden. Die gezeigte Modifikation des Einspritzverlaufs kommt insbesondere bei Dieselmotoren zum Tragen, bei denen die Einspritzung die Verbrennung auslöst. Allerdings beschränkt sich die dargestellte Modifikation nicht auf die Anwendung bei Dieselmotoren. Diese Modifikation kann auch bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung verwendet werden, auch wenn dort die Verbrennung über das Ansteuern einer Zündkerze 40 ausgelöst wird.
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5 zeigt eine Möglichkeit, wie auch bei Ottomotoren mit äßerer Gemischbildung, also bei Gemischbildung im Saugrohr 26 durch Saugrohreinspritzung oder durch einen Vergaser, die Verbrennung beeinflusst werden kann. In der Darstellung der 5 sind zwei Einlasskanäle 88 und 90 dargestellt, durch die Luft aus dem Saugrohr 26 in den zugeordneten Brennraum 14 strömt. Einer der beiden Einlasskanäle, in der Darstellung der 5 der Einlasskanal mit der Ziffer 90, weist eine sogenannte Drallklappe 92 auf, die vom Steuergerät 32 über einen Drallklappensteller 94 betätigt werden kann. Je nach Stellung der Drallklappe 92 strömt das Gas aus dem Saugrohr 26 mit unterschiedlichem Drall in den Brennraum 24.
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Bei einer symmetrisch zum Mittelpunkt des Brennraums 14 über beide Einlasskanäle parallel erfolgenden Einströmung treffen beide Strömungen im Brennraum 14 zusammen, wodurch sich ihr jeweiliger Drall kompensiert. Dagegen kann bei geschlossener Drallklappe 92 Gas aus dem Saugrohr 26 mit erhöhter Geschwindigkeit durch den verbleibenden Einlasskanal 88 außermittig in den Brennraum 14 einströmen, was zu einer starken Durchwirbelung und zu einem starken Drall der Brennraumfüllung führt. Erfindungsgemäß wird bei solchen Verhältnissen alternativ und/oder ergänzend zu den vorherstehend beschriebenen Maßnahmen die Drallklappe 92 geöffnet, so dass sich die Bewegung der Brennraumfüllung in dem Brennraum 14 verringert. Aufgrund der verringerten Bewegung der Brennraumfüllung schreitet auch die Flammenfront im Brennraum 14 nach dem Auslösen einer Verbrennung langsamer voran. Als Folge wird die Wärmefreisetzung im Brennraum 14 zeitlich gedehnt, was letztlich zu einem erhöhten Wärmeeintrag in das Kühlmedium 48 des Verbrennungsmotors 10 beiträgt.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Schritt 96 repräsentiert ein Motorsteuerungsprogramm, in dem der Verbrennungsmotor 10 so gesteuert wird, dass sich ein möglichst maximales Drehmoment und ein möglichst maximaler Wirkungsgrad einstellt. Mit anderen Worten, Schritt 96 korrespondiert zu einer Steuerung des Verbrennungsmotors 10, bei der sich Druckverlaufskurven entsprechend der Druckverlaufskurve 66 in der 2 einstellen. Im Schritt 98 wird überprüft, ob ein erhöhter Heizleistungsbedarf besteht. Ein erhöhter Heizleistungsbedarf kann insbesondere bei geringen Brennraumfüllungen und nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 bestehen. In diesem Fall verzweigt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Schritt 100, in dem der Verbrennungsmotor 10 mit geänderten Betriebsparametern betrieben wird. Dabei ist die Veränderung der Betriebsparameter so beschaffen, dass der Wärmeeintrag in das Kühlmedium 48 des Verbrennungsmotors 10 erhöht wird.
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Dafür kommen alle vorstehend beschriebenen Maßnahmen in Frage. Ausgehend vom Schritt 100 wird im Schritt 102 überprüft, ob der erhöhte Heizleistungsbedarf noch besteht. Wird dies bejaht, verzweigt das Programm erneut zum Schritt 100, so dass der Motor weiter so betrieben wird, dass die Heizleistung erhöht ist. Mit anderen Worten: Dieser Betrieb entspricht einem Motorbetrieb, bei dem sich Druckverlaufskurven entsprechend der Druckverlaufskurve 68 in 2 einstellen. Wird die Abfrage im Schritt 102 dagegen verneint, verzweigt das Programm zurück in den Schritt 96, in dem der Motor wieder normal betrieben wird. Analog wird auch aus dem Schritt 98 wieder in das Normalsteuerungsprogramm des Schritts 96 verzweigt, wenn im Schritt 98 kein erhöhter Heizleistungsbedarf festgestellt wird.
