VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER BRENNKRAFTMASCHINE MIT VARIABLER VENTILSTEUERUNG UND ABGASRÜCKFÜHRUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer externen Abgasrückführung (AGR), wobei ein Schließzeitpunkt von Einlassventilen der Brennkraftmaschine verändert wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Abgasrückführung, wie beispielsweise aus der DE 2005 012 306 A1 bekannt, ist eine der wesentlichen Elemente der innermotorischen NO _x -Reduzierung bei einem

Dieselmotor. Man unterscheidet die externe Abgasrückführung (m _ePG R) mit gekühlten und ungekühlten Varianten von der "internen" oder "inneren" AGR (m _iEG R). Bei Letzteren wird das Verbleiben oder Zurückführen von Restgas i.A. durch Beeinflussung der

Gaswechselventilsteuerzeiten mittels eines zusätzlichen Öffnen s von Ein- oder Auslass oder einer negativen Ventilüberschneidung über einen variablen Ventiltrieb realisiert. Vorteilhaft gegenüber der externen AGR sind dabei die kurzen Wege und die schnellen Reaktionszeiten sowie die direkte Dosierbarkeit. Nachteilig ist allerdings das Fehlen einer wirksamen Abkühlung des Restgases, wie bei der externen Rückführung. Aus diesem Grund wird häufig vorgeschlagen, eine (Grund-) EGR-Menge über den externen, gekühlten EGR-Kreislauf dem Motor bereitzustellen und einen geringeren Anteil innerer AGR zur Anpassung des Luftverhältnisses bei Lastsprüngen schnell zu- bzw.

wegzuschalten.

Aus der DE 103 48 366 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Diesel-Brennkraftmaschine bekannt wobei der Einlassschließzeitpunkt derart verschoben wird, dass der Einlassschluss verzögert ist. Hierdurch soll die

Abgasrückführrate vermindert werden können.

Aus der DE 600 31 074 T2 ist ein Steuerungsverfahren zum Variieren der

Ventilzeitpunkte der Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Einlassventilschließzeitpunkt derart gesteuert wird, dass eine gewünschte Einlassluftmenge und eine gewünschte Menge einer inneren Abgasrückführung für eine Zylinderladung erzielt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ausstoß von unerwünschten

Emissionen der Brennkraftmaschine zu minimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben und die externe

Abgasrückführung mit einem Stellglied für die externe Abgasrückführung derart geregelt wird, dass mindestens ein Parameter der Abgasrückführung konstant bleibt.

Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig eine Ruß- und NO _x -Reduktion erzielt wird.

Eine weitere Verbesserung der Ruß- und NO _x -Reduktion erzielt man dadurch, dass der mindestens eine konstant gehaltene Parameter der Abgasrückführung eine AGR-Rate und/oder eine AGR-Masse einer Zylinderfüllung ist.

Eine besonders genaue und effektive Einstellung der AGR-Rate bzw. der AGR-Masse erzielt man dadurch, dass das Stellglied für die externe Abgasrückführung ein AGR- Steller, insbesondere eine Abgasklappe, ein AGR-Ventil oder eine Kombiklappe ist, oder zwei Steller, insbesondere ein AGR-Ventil mit Drosselklappe in einem Ansaugtrakt oder einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, umfasst.

Eine weitere Verringerung von Emissionen erzielt man dadurch dass der

Schließzeitpunkt der Einlassventile derart in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub verschoben wird, dass eine Gesamtfüllung reduziert wird.

Eine besonders hohe Wirkung der Emissionsreduktion erzielt man dadurch, dass der Schließzeitpunkt der Einlassventile um 10 bis 100 KW, insbesondere 30° bis 35 KW, nach unterem Totpunkt im Kompressionshub verschoben wird.

Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders eine Brennkraftmaschine mit einer Steuerungseinheit mit einem Computer geeignet. Der Computer weist einen Speicher auf, in welchem ein Programm abgelegt ist. Bei Ausführung zumindest eines Teilabschnitts des Programms wird die

Brennkraftmaschine mit einem Verfahren nach den erfindungsgemäßen Merkmalen oder Kombinationen dieser betrieben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Massenströme bei einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Emission von Rußpartikeln PM _{1 P G} R in

Abhängigkeit von einem Schließzeitpunkt von Einlassventilen bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für verschiedene konstant gehaltene Parameter:

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Emission von Stickoxiden NO _x in

Abhängigkeit von einem Schließzeitpunkt von Einlassventilen bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für verschiedene konstant gehaltene Parameter und

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines spezifischen Kraftstoffverbrauchs in g/kWh b _e ff in Abhängigkeit von einem Schließzeitpunkt von Einlassventilen bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für verschiedene konstant gehaltene Parameter.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine umfasst einen Abgasturbolader 10 mit einer Turbine 12 und einem Verdichter 14, einen

Ladeluftkühler 16, ein Saugrohr 18, Arbeitszylinder 20 mit jeweils zwei Einlassventilen 22 und zwei Auslassventilen 24, wobei lediglich ein Arbeitszylinder 20 beispielhaft dargestellt ist, und einen Abgaskrümmer 26, in den das Abgas aus den Auslassventilen 24 strömt. Stromab der Turbine 12 ist für eine externe Abgasrückrührung (AGR) eine Verbindung 28 vom Abgastrakt zum Ansaugtrakt vorhanden, in dem ein AGR-Kühler 29 angeordnet ist.

Folgende Massenströme bzw. Massen tragen zu einer Zylinderladung m _z bei: Eine Luftmasse m _L 30, eine Einlassmasse m _E z 32, eine Steuermengenmasse m _S teuermenge 34, eine Kraftstoffmasse m _r 36 sowie ein Masse des extern zurückgeführten Abgases m _A GR 38. Die Steuermengenmasse m _S t _e uermenge 34 wird durch den Schließzeitpunkt der Einlassventile 22 bestimmt. Schließen diese spät, so wird ein Teil der Zylinderladung im Kompressionshub wieder ausgeschoben und verringert dadurch die Zylinderladung m _z . Insgesamt ergibt sich somit: n ^t Z = ^m EZ ^{~ m} Steuermenge + ^M Kr = ^M L + ^M AGR ^~~ ™ Steuermenge + ^M Kr

Weitere Massenströme bzw. Massen ergeben sich abgasseitig. Hier gibt es eine

Auslassmasse m _A z 40 und eine Abgasmasse m _A 42, wobei gilt mA = ^m AZ ^{™ m} AGR ^■

Bei einem Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine ist es vorgesehen, dass bei einem späten Schließzeitpunkt der Einlassventile 22, welcher beispielsweise auch bei einem sogenannten "Miller-Zyklus" angewendet wird, nicht der Ladedruck erhöht wird, um die Zylinderfüllungsmasse konstant zu halten, sondern durch Regelung der externen Abgasrückführung (AGR) mittels eines AGR-Stellers einen AGR-Parameter,

insbesondere eine AGR-Rate und/oder eine AGR-Masse, konstant zu halten. Die Regelung des AGR-Parameters erfolgt dabei also nicht durch die Öffnungs- bzw.

Schließzeitpunkte von Einlassventilen 22 oder Auslassventilen 24, sondern mittels eines Stellgliedes in der AGR-Verbindung 28, welches beispielsweise in den AGR-Kühler 29 integriert ist.

Durch das Konstanthalten eines AGR-Parameters bei der Verstellung des

Schließzeitpunktes der Einlassventile 22 wird eine Ruß- und NOX-Emission der

Brennkraftmaschine reduziert, wie nachfolgend anhand eines beispielhaften

Betriebspunktes der Brennkraftmaschine mittels der Fig. 2 bis 4 erläutert wird. Die Verstellung des Schließzeitpunktes der Einlassventile 22 erfolgt dabei in Richtung spät auf einen Zeitpunkt nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub eines jeweiligen Hubkolbens in dem Arbeitszylinder 20 der Brennkraftmaschine. Hierdurch wird mit dem Beginn des Kompressionshubes ein Teil der Zylinderladung umfassend

Verbrennungsluft und extern rückgeführtes Abgas wieder in den Ansaugtrakt

ausgeschoben und nimmt dadurch nicht an dem nächsten Verbrennungsvorgang in diesem Arbeitszylinder 20 teil, liefert jedoch einen Beitrag zur Beladung des

Arbeitszylinders 20 im nächsten Arbeitstakt mit extern rückgeführtem Abgas, welches im Ansaugtrakt bis zum nächsten Ansaughub zwischengespeichert wird, oder zur Beladung anderer Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine, die dem gleichen Saugrohr 18 zugeordnet sind. Anhand der Fig. 2 bis 4 wird nachfolgend die Auswirkung auf die Emissionen der Brennkraftmaschine erläutert, wenn bei Spätverschiebung des Schließzeitpunktes der Einlassventile 22 verschiedene Parameter der Zylinderladung konstant gehalten werden.

In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils auf der horizontalen Achse 50 ein Schließzeitpunkt für die Einlassventile 22 in Grad Kurbelwelle nach einem unteren Totpunkt vor einem

Kompressionshub [ KWnUT] aufgetragen. In Fig. 2 ist auf einer vertikalen Achse 52 eine Emission von Rußpartikeln PM _LPEG R in Gramm pro Stunde [g/h] aufgetragen. In Fig. 3 ist auf einer vertikalen Achse 54 eine Emission von Stickoxiden NO _X in Gramm pro

Kilowattstunde [g/kWh] aufgetragen. In Fig. 4 ist auf einer vertikalen Achse 56 ein spezifischer Kraftstoffverbrauch b _eff in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh] aufgetragen.

In den Fig. 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein erster Graph 61 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _LPEG R, NO _x bzw. b _eff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Luftmasse, d.h. mit dem Verschieben des

Schließzeitpunktes nach spät wird die AGR-Rate abgesenkt.

In den Fig. 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein zweiter Graph 62 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _LP EGR, NO _x bzw. b _eff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Rate, d.h. mit dem Verschieben des

Schließzeitpunktes nach spät wird die AGR-Masse abgesenkt.

In den Fig. 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein dritter Graph 63 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _{1 PEGR} , NO _x bzw. b _e fi über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Masse, d.h. mit dem Verschieben des

Schließzeitpunktes nach spät wird die AGR-Rate angehoben.

In den Fig. 2 bis 4 veranschaulicht jeweils ein vierter Graph 64 einen Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _L PEGR, NO _x bzw. b _etf über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Gesamtmasse der Zylinderladung, d.h. mit dem Verschieben des Schließzeitpunktes nach spät wird der Ladedruck angehoben. Dies entspricht einem Betriebsverfahren nach dem sogenannten "Miller-Zyklus".

Die Fig. 2 bis 4 zeigen ein vorbestimmten Betriebspunkt "2000/90" der

Brennkraftmaschine, wobei ein Ladedruck p _La de = 1 .350 mbar, ein Kraftstoffdruck P aii = 900 bar und eine Schwerpunktlage der Verbrennung, d.h. der 50%-Umsatzpunkt Al ₅₀ = 16 KWnZOT (Grad Kurbelwelle nach oberem Totpunkt im Zündhub) beträgt.

Wie aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich ergibt sich bei konstanter Luftmasse gemäß der ersten Graphen 61 ein Nachteil bei der Stickoxid-Emission (NO _x ) und ein maximaler Vorteil bei der Rußpartikel-Emission (PM _L PEGR)- Bei konstanter AGR-Rate gemäß der zweiten Graphen 62 ergibt sich eine simultane Verbesserung Stickoxid-Emission (NO _x ) und der Rußpartikel-Emission (PM _L PEGR)- Bei konstanter AGR-Masse gemäß der dritten Graphen 63 ergibt sich eine Verschiebung der Emissionsvorteile von der Rußpartikel- Emission (PMLPEGR) in Richtung Stickoxid-Emission (NO _x ). Bei der Ladedruckanpassung für den Luftmassenausgleich nach dem "Miller-Zyklus" gemäß der vierten Graphen 64 ergibt sich im Vergleich zu der Verfahrensweise bei konstanter AGR-Rate bzw.

konstanter AGR-Masse eine Verschlechterung der Rußpartikel-Emission (PM _LPEG R) ohne dafür einen nennenswerten Vorteil bei der Stickoxid-Emission (NO _x ) zu erzielen.

Bezugszeichenliste Abgasturbolader

Turbine

Verdichter

Ladeluftkühler

Saugrohr

Arbeitszylinder

Einlassventilen

Auslassventilen

Abgaskrümmer

Verbindung

EGR-Kühler

Luftmasse m _L

Einlassmasse m _EZ

Steuermengenmasse m _S t _eU ermenge

Kraftstoffmasse m _Kr

Masse des extern zurückgeführten Abgases m _EA GR

Auslassmasse m _AZ

Abgasmasse m _A

horizontale Achse: Schließzeitpunkt für die Einlassventile 22 in Grad Kurbelwelle nach einem unteren Totpunkt vor einem Kompressionshub [ KWnUT]

vertikale Achse: Emission von Rußpartikeln PM _L PEGR in Gramm pro Stunde [g/h] vertikale Achse: Emission von Stickoxiden NO _x in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh]

vertikale Achse: Spezifischer Kraftstoffverbrauch b _eff in Gramm pro Kilowattstunde [g/kWh]

erster Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _L PEGR, NO _x bzw. b _eff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Luftmasse zweiter Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _L PEGR, NO _x bzw. b _e ff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR-Rate dritter Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _L PEGR, NO _x bzw. b _eff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante AGR- Masse

vierter Graph: Verlauf des jeweiligen Emissionswertes PM _L PEGR, NO _x bzw. b _e ff über den Schließzeitpunkt 50 der Einlassventile 22 für eine konstante Gesamtmasse der Zylinderladung