BESCHREIBUNG Dieselmotor und Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors

Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor, insbesondere einen Hochleistungsdieselmotor, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors. Dieselmotoren neigen bei kalten Umgebungsbedingungen im unteren Lastbereich, beispielsweise im Leerlauf, zu erhöhten HC-Emissionen, welche auch als Weißrauch sichtbar sind. Zur

Verbesserung von Abgaswerten, insbesondere zur Reduktion des Weißrauchs, ist es bereits ekannt, ein Verdichtungsverhältnis anzuheben, wodurch sich eine Kompressionsendtemperatur erhöht. Bedingt durch das erhöhte Verdichtungsverhältnis ist allerdings lediglich eine geringere Leistung darstellbar. Ebenfalls bekannt ist es, eine Kaltstartfähigkeit mittels zusätzlicher

Komponenten, beispielsweise einer Ladeluftheizung, zu verbessern.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Dieselmotor sowie einen Betrieb des Dieselmotors weiter zu optimieren. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 und durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Anspruch 6 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen

Ansprüchen.

Es wird ein Dieselmotor vorgeschlagen, insbesondere ein Hochleistungsdieselmotor, mit einem variablen Ventiltrieb, der eine Verstelleinheit zumindest zur Verstellung eines Schließwinkels von zumindest einem Einlassventil aufweist, und mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit zur Ansteuerung der Verstelleinheit, die dazu vorgesehen ist, zumindest in einem Betriebsmodus, der für einen Kaltstart vorgesehen ist, den Schließwinkel des zumindest einen Einlassventils in Richtung Spät zu verstellen. Insbesondere bei einem Dieselmotor, welcher nach dem Miller- Zyklus betrieben wird, kann durch das spätere Schließen der Einlassventile, bezogen auf den Miller-Zyklus, zum einen ein Luftaufwand und damit eine Zylinderbefüllung erhöht werden. Zum anderen kann eine Ladungsabkühlung durch Expansion während eines Ansaugtakts verringert werden. Beides führt zu einer höheren Verdichtungsendtemperatur. Durch Verstellung des Schließwinkels, beispielsweise, indem eine Nockenwellenphasenlage in Richtung Spät verstellt wird, und der damit einhergehenden höheren Zündtemperatur können bessere

Zündeigenschaften während des Kaltstarts erreicht werden. Insbesondere kann ein Anteil von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in einem Abgas reduziert werden, wodurch ein

Laufverhalten direkt nach dem Kaltstart verbessert werden kann. Zudem kann der Dieselmotor schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden, ohne dass zusätzliche Komponenten, wie insbesondere eine Ladeluftheizung, vorgesehen werden müssen. Durch eine Ausgestaltung mit einem variablen Ventiltrieb und einer Steuer- und/oder Regeleinheit kann somit ein Dieselmotor mit verbessertem Kaltstartverhalten bereitgestellt werden. Unter einem„Schließwinkel" soll dabei insbesondere ein auf einen Nockenwellenwinkel oder einen Kurbelwellenwinkel bezogener Winkel, bei dem das entsprechende Einlassventil schließt, verstanden werden. Der Schließwinkel kann beispielsweise durch Verstellung einer Nockenwellenphasenlage verstellt werden. Grundsätzlich können jedoch unterschiedliche variable Ventiltriebe verwendet werden. Unter einer„Nockenwellenphasenlage" soll insbesondere eine Phasenlage eines

Nockenwellenwinkels relativ zu einem Kurbelwellenwinkel verstanden werden. Unter einem „Nockenwellenwinkel" soll insbesondere eine Drehwinkellage einer Nockenwelle, bezogen auf einen definierten Null-Punkt, beispielsweise zu Beginn eines Verbrennungszyklus, verstanden werden. Unter einem„Kurbelwellenwinkel" soll insbesondere eine Drehwinkellage einer Kurbelwelle, bezogen auf den gleichen definierten Null-Punkt wie der Nockenwellenwinkel, verstanden werden. Unter einer„Verstellung in Richtung Spät" soll insbesondere verstanden werden, dass der Schließwinkel des zumindest einen Einlassventils in Richtung eines späteren Schließwinkels verschoben wird. Unter einem„Kaltstart" soll insbesondere ein Start des Dieselmotors bei einer Motortemperatur unterhalb einer Normalbetriebstemperatur verstanden werden. Unter einer„Motortemperatur" soll dabei hier und im Folgenden insbesondere ein auf ein Betriebsmedium bezogener Temperaturwert verstanden werden, wie beispielsweise eine Kühlwassertemperatur oder eine Motoröltemperatur. Unter einer„Normalbetriebstemperatur" soll insbesondere eine in einem Dauerbetrieb eingeregelte Motortemperatur verstanden werden. Unter einer„Steuer- und/oder Regeleinheit" soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer„Steuerelektronik" soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der

Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.

Weiter kann die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen sein, den Schließwinkel des zumindest einen Einlassventils maximal in Richtung Spät zu verstellen. Dadurch kann eine besonders hohe ZylinderbefüUung erreicht werden. Wird der Schließwinkel maximal in Richtung Spät verstellt, d.h wird die Nockenwellenphasenlage maximal gegen eine Begrenzung, wie beispielsweise einen mechanischen Anschlag oder eine elektronische Begrenzung, verstellt, kann eine Ansteuerung der Verstelleinheit vereinfacht werden, da die Verstelleinheit lediglich gegen die Begrenzung verstellt werden muss.

Die Verstelleinheit kann einen Nockenwellenversteller mit einer Maximalverstellung aufweisen, durch die der Nockenwellenversteller dazu vorgesehen ist, den Schließwinkel des zumindest einen Einlassventils in einen Winkelbereich zu verschieben, in dem ein dem Einlassventil zugeordneter Kolben einen unteren Totpunkt durchläuft. Indem der Nockenwellenversteller den Schließwinkel in den Winkelbereich, der dem unteren Totpunkt zugeordnet ist, verschieben kann, kann eine besonders vorteilhafte ZylinderbefüUung realisiert werden, wodurch besonders hohe Verbrennungstemperaturen realisiert werden können. Unter einem„Winkelbereich", in dem ein dem Einlassventil zugeordneter Kolben einen unteren Totpunkt durchläuft, wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein auf einen Nockenwellenwinkel oder einen

Kurbelwellenwinkel bezogener Winkelbereich verstanden, in welchem der Kolben den unteren Totpunkt durchläuft. Unter einem„Winkelbereich" wird in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden, dass der Schließwinkel höchstens um 20 Grad Kurbelwellenwinkel, insbesondere höchstens um 10 Grad Kurbelwellenwinkel, von einem Kurbelwellenwinkel abweicht, an dem der dem Einlassventil zugeordnete Kolben den unteren Totpunkt durchläuft.

Grundsätzlich kann der Dieselmotor Zylinder mit einem beliebigen Hubraum und/oder einer beliebigen Zylinderleistung aufweisen. Bevorzugt weist der Dieselmotor eine Zylinderleistung von zumindest 50 kW und/oder Zylinder, die jeweils einen Hubraum von zumindest 1,6 1 aufweisen, auf. Insbesondere bei derartigen Hochleistungsdieselmotoren kann, beispielsweise durch die Verstellung der Nockenwellenphasenlage, einfach ein verbessertes Kaltstartverhalten erreicht werden. Unter einem„Zylindergesamtvolumen" soll ein Volumen des Brennraums vor einer Verdichtung, d.h. in einem unteren Totpunkt des entsprechenden Kolbens, verstanden werden. Demgegenüber soll unter einem„Kompressionsvolumen" insbesondere ein Volumen des Brennraums nach einer Verdichtung, d.h. in einem oberen Totpunkt des entsprechenden

Kolbens, verstanden werden. Unter einem„Hubraum" soll insbesondere ein Volumen verstanden werden, das durch eine Kolbenquerschnittsfläche und den Kolbenhub definiert ist. Der Hubraum entspricht damit dem Zylindergesamtvolumen abzüglich des Kompressions volumens. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche weitere Merkmale. Fig. 1 zeigt schematisiert einen Dieselmotor, der grundsätzlich zur Verwendung in schweren Landfahrzeugen, in Schienenfahrzeugen oder in Wasserfahrzeugen geeignet ist. Der Dieselmotor umfasst mehrere Zylinder 1, 2, 3, 4, welche jeweils einen Brennraum 5, 6, 7, 8 zur Verbrennung einer Luft-Kraftstoffmischung und einen in dem Brennraum 5, 6, 7, 8 geführten Kolben 9, 10, 11, 12 aufweisen. Der Dieselmotor umfasst je Zylinder 1, 2, 3, 4 zumindest einen Injektor 17, der dazu vorgesehen ist, Kraftstoff in den Brennraum 5, 6, 7, 8 des jeweiligen Zylinders 1, 2, 3, 4 einzubringen. Zur Vereinfachung ist in Fig. 1 lediglich einer der Injektoren 17 mit einem

Bezugszeichen versehen. Die Zylinder 1, 2, 3, 4 umfassen jeweils ein oder mehrere

Einlassventile 18, 19, 20, 21 sowie ein oder mehrere Auslassventile 22, 23, 24, 25. Die

Einlassventile 18, 19, 20, 21 sind dazu vorgesehen, dem Brennraum 5, 6, 7, 8 des

entsprechenden Zylinders 1, 2, 3, 4 Brennluft zuzuführen. Der Kraftstoff wird in dem jeweiligen Brennraum 5, 6, 7, 8 in die Brennluft eingespritzt. Durch Kompression wird das Luft- Kraftstoffgemisch in dem jeweiligen Brennraum 5, 6, 7, 8 gezündet. Über die Auslassventile 22, 23, 24, 25 wird ein Abgas, welches durch Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs entsteht, einem Abgassystem 26 zugeführt. Zur Betätigung der Einlassventile 18, 19, 20, 21 und der Auslassventile 22, 23, 24, 25 umfasst der Dieselmotor einen Ventiltrieb 13 mit zumindest einer Nockenwelle 32, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung der Zeichnung als kombinierte Ein- und Auslassnockenwelle dargestellt ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, für die Einlassventile 18, 19, 20, 21 und die Auslassventile 22, 23, 24, 25 getrennte Nockenwellen vorzusehen.

Der Dieselmotor ist als ein Schnellläufer ausgebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Dieselmotor eine Leerlaufdrehzahl von ca. 600 U/min auf. Eine Maximaldrehzahl beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 2200 U/min. Jeder Brennraum 5, 6, 7, 8 des Dieselmotors weist ein Zylindervolumen von 4,77 1 auf. Eine Zylinderleistung des Dieselmotors beträgt ca. 150 kW. Je nach Bauart kann der Dieselmotor zwischen 8 und 20 Zylinder 1, 2, 3, 4 aufweisen. Der Dieselmotor ist damit für eine Leistung zwischen 1200 kW und 3000 kW vorgesehen. Grundsätzlich kann der Dieselmotor aber auch andere Motordaten aufweisen. Weiter umfasst der Dieselmotor eine Kurbelwelle 27. Die Zylinder 1, 2, 3, 4 umfassen jeweils ein Pleul 28, 29, 30, 31, welches den Kolben 9, 10, 11, 12 des entsprechenden Zylinders 1, 2, 3, 4 mit der Kurbelwelle 27 verbindet. Die Zylinder 1, 2, 3, 4 weisen jeweils einen Kolbenhub auf, der insbesondere von einer Ausgestaltung der Kurbelwelle 27 abhängt. Der Kolbenhub sämtlicher Zylinder 1, 2, 3, 4 ist gleich. Die Zylinder 1, 2, 3, 4 weisen jeweils einen Hubraum auf, der durch eine Kolbenquerschnittsfläche und den Kolbenhub definiert ist, sowie ein

Kompressionsvolumen, welches einem verbleibenden Restvolumen des Brennraums 5, 6, 7, 8 in einem oberen Totpunkt des entsprechenden Kolbens 9, 10, 11, 12 entspricht. Jeder Zylinder 1, 2, 3 , 4 weist ein Zylindergesamtvolumen auf, das einer Summe aus Hubraum und

Kompressionsvolumen entspricht. Das Zylindergesamtvolumen der Brennräume 5, 6, 7, 8 der Zylinder 1, 2, 3, 4 des Dieselmotors beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils 4,77 1.

Die Nockenwelle 32 umfasst zur Betätigung der Einlassventile 18, 19, 20, 21 und der

Auslassventile 22, 23, 24, 25 eine Mehrzahl von Nocken. Jeder der Nocken ist genau einem der Einlassventile 18, 19, 20, 21 oder einem der Auslassventile 22, 23, 24, 25 zugeordnet. Jeder der Nocken weist eine Nockenkurve auf,, welche für das dem Nocken zugeordnete Einlassventil 18, 1 9, 20, 21 oder Auslassventil 22, 23, 24, 25 eine Ventilöffnungszeit und einen Ventilhub festlegt. Ein relativer Drehwinkelabstand zwischen den Nocken, die für die Einlassventile 18, 19, 20, 21 vorgesehen sind, und den Nocken, die für die Auslassventile 22, 23, 24, 25 vorgesehen sind, legt eine Ventilspreizung fest.

Der Ventiltrieb 13 weist eine Nockenwellenphasenlage auf, die eine relative Winkellage der Nockenwelle 32 in Bezug auf die Kurbelwelle 27 beschreibt. Die Kurbelwelle 27 weist einen KLurbelwellenwinkel auf, welcher in einem vollständigen Takt des Dieselmotors einen

Winkelbereich von 0 Grad bis 720 Grad durchläuft. Die Nockenwelle 32 weist einen

Nockenwellenwinkel auf, der in dem vollständigen Takt des Dieselmotors einen Winkelbereich von 0 Grad bis 360 Grad durchläuft. Da der Ventiltrieb 13 ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 aufweist, d.h. zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 27 entsprechen einer Umdrehung der

Nockenwelle 32, entspricht ein Nockenwellenwinkel von 360 Grad einem Kurbel wellenwinkel von 720 Grad. Der Dieselmotor umfasst dabei einen Nockenwellensensor 33, der zur

Bestimmung des aktuellen Nockenwellenwinkels vorgesehen ist, sowie einen

Kurbelwellensensor 34, der zur Bestimmung des aktuellen Kurbelwellenwinkels vorgesehen ist. Der Ventiltrieb 13 ist für einen Betrieb nach dem Miller-Zyklus vorgesehen, bei dem die Einlassventile 18, 19, 20, 21 bereits während eines Ansaughubs geschlossen werden.

Zur Verstellung der Ventilöffhungszeiten, des Ventilhubs und/oder der Ventilspreizung ist der Ventiltrieb 13 variabel ausgestaltet. Der Ventiltrieb 13 umfasst eine Verstelleinheit 14, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, durch Verstellung der Nockenwellenphasenlage einen

Schließwinkel der Einlassventile 18, 19, 20, 21 zu verändern. Die Verstelleinheit 14 ist dazu vorgesehen, die Nockenwelle 32 relativ zu der Kurbelwelle 27 zu verdrehen. Zur Verstellung der Nockenwellenphasenlage umfasst die Verstelleinheit 14 einen Nockenwellenversteller 15, der einen Verstellbereich von zumindest 35 Grad, bezogen auf den Kurbelwellenwinkel, aufweist. In einer Grundstellung, d.h. die Nockenwellenphasenlage beträgt 0 Grad, weist die Nockenwelle 32 bei einem Kurbelwellenwinkel von 0 Grad eine Drehwinkellage von 0 Grad, bezogen auf den Kurbelwellenwinkel, auf. Bei einer maximalen Verstellung der Nockenwellenphasenlage, d.h. die Nockenwellenphasenlage beträgt 35 Grad, weist die Nockenwelle 32 eine Drehwinkellage von 35 Grad, bezogen auf den Kurbelwellenwinkel, auf. Der Ventiltrieb kann dabei

unterschiedliche mechanische, elektrische, pneumatische und/oder hydraulische Ausgestaltungen aufweisen, welche einen variablen Ventiltrieb ausbilden. In dem dargestellten

Ausführungsbeispiel ist die Verstelleinheit 14, die lediglich den Nockenwellenversteller 15 aufweist, lediglich zur Verstellung der Nockenwellenphasenlage vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Verstelleinheit 14 eine Mehrzahl von Aktoren aufweisen, welche jeweils zwischen der Nockenwelle 32 und einem der Einlassventile 18, 19, 20, 21 angeordnet sind, wobei die Aktoren dazu vorgesehen sind, eine Kopplung zwischen der Nockenwelle 32 und dem entsprechenden Einlassventil 18, 19, 20, 21 zu verändern. In einer solchen Ausgestaltung ist die Verstelleinheit insbesondere dazu vorgesehen, zusätzlich Ventilöffnungszeiten und/oder

Ventilhübe zumindest der Einlassventile 18, 19, 20, 21 und/oder Ventilspreizungen zwischen den Einlassventilen 18, 19, 20, 21 und den Auslassventilen 22, 23, 24, 25 zu verändern.

Der Nockenwellenversteller 15 kann unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen.

Beispielsweise kann der Nockenwellenversteller 15 als ein hydraulischer Flügelzellenversteller ausgebildet sein. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung als elektro-mechanischer

Nockenwellenversteller 15 denkbar. Grundsätzlich ist es auch möglich, den

Nockenwellenversteller 15 durch einen variablen Ventiltrieb zu ersetzen, welcher eine

Umschaltung zwischen unterschiedlichen Nockenkurven ermöglicht, die sich insbesondere durch ihre Ventilöffnungszeiten unterscheiden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind durch die Ausbildung der Nockenwelle 32 als Ein- und Auslassnockenwelle die Ventilöffungszeiten der Einlassventile 18, 19, 20, 21 und der Auslassventile 22, 23, 24, 25 lediglich gemeinsam verstellbar. Der Nockenwellenversteller 15 weist einen Früh- Anschlag und einen Spät- Anschlag auf, die den Verstellbereich des Nockenwellenverstellers 15 festlegen. In der Grundstellung, in der die Nockenwellenphasenlage 0 Grad beträgt, ist der Nockenwellenversteller 15 gegen den Früh- Anschlag verstellt. Bei einer Nockenwellenphasenlage von 0 Grad öffnen die Einlassventile 18, 19, 20, 21 vorzugsweise, bevor der entsprechende Kolben 9, 10, 11, 12 seinen oberen Totpunkt durchlaufen hat, und schließen, bevor der entsprechende Kolben 9, 10, 11, 12 seinen unteren Totpunkt erreicht. Die Einlassventile 18, 19, 20, 21 weisen bei einer Nockenwellenphasenlage von 0 Grad einen Öffnungswinkel auf, der vorzugsweise einem Kurbelwellenwinkel zwischen 240 Grad und 180 Grad vor dem unteren Totpunkt entspricht, und einen Schließwinkel, der vorzugsweise einem Kurbel wellenwinkel zwischen 60 Grad und 10 Grad vor dem unteren Totpunkt entspricht.

Der Nockenwellenversteller 15 weist eine durch den Spät- Anschlag definierte

Maximalverstellung auf, durch die der Nockenwellenversteller 15 dazu vorgesehen ist, den Schließwinkel der Einlassventile 18, 19, 20, 21 in einen Winkelbereich zu verschieben, in dem der Kolben 9, 10, 11, 12, der dem jeweiligen Einlassventil 18, 19, 20, 21 zugeordnet ist, den unteren Totpunkt durchläuft. Ist der Nockenwellenversteller 15 gegen den Spät- Anschlag verstellt, ist der Schließwinkel der Einlassventile 18, 19, 20, 21, bezogen auf die Grundstellung, um 35 Grad Kurbelwellenwinkel in Richtung Spät verstellt. In der Maximal Verstellung weisen die Einlassventile 18, 19, 20, 21 damit einen Schließwinkel auf, der einem Kurbelwellenwinkel zwischen 25 Grad vor dem Unteren Totpunkt und 25 Grad nach dem unteren Totpunkt entspricht. Die Schließwinkel der Einlassventile 18, 19, 20, 21 liegen damit in dem Winkelbereich, in dem der untere Totpunkt des Kolbens 9, 10, 11, 12, dem das entsprechende Einlassventil 18, 19, 20, 21 zugeordnet ist, liegt. Zur Ansteuerung der Verstelleinheit umfasst der Dieselmotor eine Steuer- und Regeleinheit 16. Die Steuer- und Regeleinheit 16 weist einen Betriebsmodus auf, der für einen Kaltstart vorgesehen ist. Die Steuer- und Regeleinheit 16 ist in dem Betriebsmodus dazu vorgesehen, durch Ansteuerung der Verstelleinheit 14 die Nockenwellenphasenlage und damit die

Schließwinkel der Einlassventile 18, 19, 20, 21 in Richtung Spät zu verstellen. Bei einem Kaltstart liegt eine Motortemperatur beim Starten des Dieselmotors unterhalb einer Normalbetriebstemperatur. Für die Aktivierung des Betriebsmodus ist in der Steuer- und Regel einheit 16 ein Parameter für eine Grenztemperatur, welche unterhalb der

Normalbetriebstemperatur liegt, hinterlegt. Die Grenztemperatur, unterhalb der die Steuer- und Regeleinheit 16 den Betriebsmodus aktiviert, entspricht in dem dargestellten

Ausführungsbeispiel einer Motortemperatur von ca. 50 Grad. Die Normalbetriebstemperatur, auf welche der Dieselmotor in einem Dauerbetrieb vorzugsweise eingeregelt wird, liegt bei ca. 90 Grad. Die Motortemperatur ist dabei über eine Kühlmitteltemperatur definiert.

In dem Betriebsmodus ist die Steuer- und Regeleinheit 16 dazu vorgesehen, die

Nockenwellenphasenlage maximal in Richtung Spät zu verstellen. Um die Maximalverstellung des Nockenwellenverstellers 15 während des Kaltstarts so schnell wie möglich einzustellen, steuert die Steuer- und Regel einheit 16 den Nockenwellenversteller 15 mit maximaler

Verstellgeschwindigkeit in Richtung Spät an, beispielsweise, indem sie ein zugeordnetes

Magnetregelventil maximal öffnet. Idealerweise erreicht dadurch der Nockenwellenversteller 15 die Maximalverstellung vor einer ersten Zündung des Dieselmotors.