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Title:
METHOD FOR OPTIMIZING THE OPERATION OF A CHARGED RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN THE LOWER ENGINE SPEED RANGE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/035958
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a fuel-injected, especially a directly fuel-injected, reciprocating internal combustion engine. Said engine comprises at least one outlet valve per cylinder, communicating with an exhaust gas installation, and at least one inlet valve, communicating with an air inlet installation, and means for increasing the boost pressure in the air inlet installation. The method is characterized in that a control device for variably adjusting at least the opening times of the inlet valves is provided and that in the lower engine speed range the inlet opening times of the inlet valves can be adjusted via the control device in such a manner that there is a valve overlap with the closing time of the corresponding outlet valves, thereby scavenging the cylinder with fresh charge air before charge exchange in the area of top dead center.

Inventors:
REINER WOHLBERG (DE)
HOPP MARTIN (DE)
LANG OLIVER (DE)
GEIGER JOSE (BE)
SEHR ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/011164
Publication Date:
April 21, 2005
Filing Date:
October 06, 2004
Export Citation:
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Assignee:
FEV MOTORENTECH GMBH (DE)
REINER WOHLBERG (DE)
HOPP MARTIN (DE)
LANG OLIVER (DE)
GEIGER JOSE (BE)
SEHR ANDREAS (DE)
International Classes:
F02B25/14; F02B37/18; F02D13/02; F02D41/00; F02B3/00; F02B33/32; F02D23/02; F02M69/04; (IPC1-7): F02D41/00; F02D13/02
Foreign References:
DE10140120A12003-03-06
FR2781011A12000-01-14
EP1243779A22002-09-25
DE2942326A11981-04-23
DE10159250A12003-06-18
DE4126428A11993-02-11
DE10106169A12002-08-14
DE10140120A12003-03-06
Attorney, Agent or Firm:
Maxton, Langmaack & Partner (Köln, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, ins besondere Kraftstoffdirekteinspritzung, mit Gaswechselventilen je Zylinder mit jeweils we nigstens einem Auslassventil, das mit einer Abgasanlage in Verbindung steht, und we nigstens einem Einlassventil, das mit einer Lufteinlassanlage in Verbindung steht, und mit Mitteln zur Erhöhung des Ladedrucks in der Lufteinlassanlage, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur variablen Einstellung zumindest der Öffnungszeitpunkte der Einlassventile vorgesehen ist und dass im unteren Drehzahlbereich über die Steuer einrichtung die EinlassÖffnetZeitpunkte und/oder die AuslassSchließtZeitpunkte der Gaswechselventile so gestellt werden, dass eine Ventilüberschneidung mit dem Schließ zeitpunkt der zugehörigen Auslassventile gegeben ist und so der Zylinder vor und/oder während dem Ladungswechsel im Bereich des oberen Totpunktes mit frischer Ladeluft gespült wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Einlassventi le mit zumindest teilweise variablen Ventiltrieben versehen sind, die über die Steuerein richtung angesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Einlassventi le über eine Nockenwelle angetrieben werden, die mit entsprechend einstellbaren Nocken zur Einstellung zumindest der Öffnungszeitpunkte versehen ist und die mit einem No ckensteller in Verbindung stehen, der von der Steuereinrichtung angesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsund Schließzeitpunkt eines Auslassventils zur Erhöhung einer Spülung des Zylinders verändert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlaßund Auslassventil erst geöffnet werden, wenn in einem Saugrohr, das ans Ein lassventil angeschlossen ist, eine ausreichende Druckerhöhung zur Spülung des Zylin ders vorliegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Restgas im Zylinder zu mindestens 95% ausgespült wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung von Ventilzeiten bis zu einer Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine von 2000 U/min erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über 2000 U/min keine Verstellung von Ventilzeiten zur Spülung des Zylinders vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Beschleunigungsvorgang, insbesondere bei einem Anfahrvorgang, in einem Bereich zwischen 30% bis 100% einer maximalen Motorlast eine Verstellung von Ventil zeiten erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erhöhung des Ladedrucks ein Turbolader oder ein mechanischer Lader verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erhöhung des Ladedrucks eine Impulsaufladung eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erhöhung des Ladedruckes eine Änderung der Sauganlage eingesetzt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenbrennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip arbeitet und mit einer Ein spritzverstellung betrieben wird.
14. 4TaktOttomotor eines Kraftfahrzeuges mit Kraftstoffdirekteinspritzung mit zumindest drei Zylindern, wobei jedem Zylinder zumindest ein Einlassund ein Auslassventil zuge ordnet sind, das Einlassventil mit einer Ladedruckerhöhungsvorrichtung in einer Luftein lassanlage in Verbindung steht, eine Verstelleinrichtung der Öffnungsund Schließzeitpunkte von Einlassund Auslassventil vorgesehen ist, die aktivierbar zur Erzielung einer Ventilüberschneidung in einem unteren Drehzahlbereich des Ottomotors zur Restgasspülung ist, und mit einer Aktivierungsvorrichtung, die bei Feststellung von definierten Bedingungen zum Durchführen eines Ausspülen eines Restgases aus dem Zylinder ein Signal erzeugt, wodurch die Verstellvorrichtung aktiviert wird.
15. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsvorrich tung definierte Bedingungen hinterlegt aufweist, so dass erst bei Feststellung eines aus reichenden Spülgefälles das Signal erzeugbar ist.
16. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsvorrich tung mit einem Vorhersagemodul gekoppelt ist, mittels dem anhand ermittelter Parameter feststellbar ist, wann das Signal zu erzeugen ist, um Bedingungen im Zylinder zu erzeu gen, die erst ein ausreichendes Spülgefälle schaffen.
17. Ottomotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsvorrich tung und das Vorhersagemodul Bestandteil eines Ventilsteuergerätes sind, welches über einen CANBus mit einem Motorsteuergerät verbunden ist.
18. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgefälle mittels einer Messvorrichtung direkt oder indirekt ermittelbar ist.
19. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgefälle aus Be triebsdaten, die in einer Motorsteuerung hinterlegt und ergänzbar sind, ermittelbar ist.
20. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundäreinsprit zung vorgesehen ist.
21. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Drehzahlbe reich eine Verstellung einer Zündung nach"spät"vorgesehen ist.
22. Ottomotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die in einem Betriebsbereich des Ottomotors aktiviert ist, in dem eine Ak tivierung einer Ventilüberschneidung im unteren Drehzahlbereich zur Erzielung der Rest gasspülung nicht erfolgt.
Description:
Bezeichnung : Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer aufgeladenen Kol- benbrennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich Beschreibung Bei sogenannten aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschinen wird die erforderliche Verbrennungsluft den Zylindern über einen Lader mit einem gegenüber dem Umgebungs- druck erhöhten Druck zugeführt. Die Druckerhöhung kann hierbei über einen sogenann- ten Abgasturbolader erfolgen, bei dem mittels einer mit der Abgasanlage verbundenen Turbine ein Turboverdichter angetrieben wird, der druckseitig mit der Lufteinlassanlage in Verbindung steht. Die Druckerhöhung kann aber auch durch einen sogenannten mecha- nischen Lader erfolgen, dessen Antriebsenergie von der Kurbelwelle der Kolbenbrenn- kraftmaschine abgegriffen wird. Der Kraftstoff wird entweder durch Einspritzung der ent- sprechenden Kraftstoffmengen jeweils in den Lufteinlasskanal eines jeden Zylinders oder aber durch Einspritzung direkt in den Zylinder zugeführt. Für den Gaswechsel sind je Zy- linder jeweils wenigstens ein Auslassventil und wenigstens ein Einlassventil vorgesehen, die entsprechend mit der Abgasanlage und der Lufteinlassanlage in Verbindung stehen.

Es hat sich nun herausgestellt, dass im unteren Drehzahlbereich der Kolbenbrennkraft- maschine und der daraus resultierenden geringeren Förderleistung des Laders, und zwar sowohl beim Abgasturbolader als auch beim mechanischen Lader, im Anfahrbetrieb und im Langsamfahrbetrieb ein nicht ausreichendes Lastannahmeverhalten gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten einer Kolbenbrennkraft- maschine der vorstehend bezeichneten Art im Anfahrbetrieb und im Betrieb mit niedrigen Drehzahlen, insbesondere im Bereich mit Drehzahlen zwischen 1000 und 1300 U/min zu verbessern..

Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, insbe- sondere Kraftstoffdirekteinspritzung, mit Gaswechselventilen je Zylinder mit jeweils we- nigstens einem Auslassventil, das mit einer Abgasanlage in Verbindung steht, und we- nigstens einem Einlassventil, das mit einer Lufteinlassanlage in Verbindung steht, und Mitteln zur Erhöhung des Ladedrucks in der Lufteinlassanlage, dadurch gelöst, dass eine Steuereinrichtung zur variablen Einstellung zumindest der Öffnungszeitpunkte der Ein- lassventile vorgesehen ist und dass im unteren Drehzahlbereich über die Steuereinrich- tung die Einlass-Öffnet-Zeitpunkte und/oder die Auslass-Schließt-Zeitpunkte der Gas- wechselventile so gestellt werden, dass eine Ventilüberschneidung mit dem Schließzeit-

punkt der zugehörigen Auslassventile gegeben ist und so der Zylinder vor und/oder wäh- rend des Ladungswechsels im Bereich des oberen Totpunktes mit frischer Ladeluft ge- spült wird. Der Vorteil dieser Betriebsweise besteht darin, dass zum einen das Restgas weitgehend aus dem Zylinder gespült wird und so nach dem Schließen des Einlassventils in den Zylinder für die eingeführte Luft das Temperaturniveau geringfügig reduziert wird.

Damit kann das Luftaufwandsniveau bereits bei niedrigen Drehzahlen deutlich erhöht werden. Durch das weitgehende Ausspülen von Restgas wird die Klopfneigung reduziert.

Insbesondere in Verbindung mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung ergibt sich infolge der Gemischabkühlung im Brennraum eine Steigerung des Luftdurchsatzes durch den Motor.

Hierdurch ergibt sich gegenüber Kolbenmotoren mit feststehenden Steuerzeiten von Aus- lassventilen und Einlassventilen insbesondere im Anfahrbetrieb und bei einem Betrieb mit niedrigen Drehzahlen eine deutliche Erhöhung des an der Kolbenbrennkraftmaschine abgreifbaren Drehmomentes. Vorzugsweise sind die Öffnungs-und Schließzeitpunkte eines Auslassventils zur Erhöhung einer Spülung des Zylinders ebenfalls veränderbar.

Bevorzugt ist weiterhin, dass Einlass-und Auslassventile erst dann geöffnet werden, wenn in einem Saugrohr, das ans Einlassventil angeschlossen ist, eine ausreichende Druckerhöhung zur Spülung des Zylinders anliegt. Insbesondere wird angestrebt, zumin- dest ein Restgas im Zylinder zu mindestens 95% auszuspülen.

Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass beispielsweise nur die Einlassventile oder nur die Auslassventile verstellt werden. Eine zweite Weiterbildung sieht vor, dass die Einlass-und die Auslassventile verstellt werden. Eine dritte Weiterbildung sieht vor, dass nur ein Teil von Einlass-und/oder Auslassventilen verstellt wird.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Verstellung der Ventile bis zu einer Dreh- zahl der Kolbenbrennkraftmaschine von 2000 U/min erfolgt. Vorzugsweise erfolgt darüber eine derartige Verstellung jedoch nicht mehr zur Restgasspülung. Gemäss einer Weiter- bildung erfolgt eine Verstellung der Ventilzeiten bei einem Beschleunigungsvorgang, ins- besondere bei einem Anfahrvorgang, in einem Bereich zwischen 30% und 100% einer maximalen Motorlast. Vorzugsweise arbeitet die Kolbenbrennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip und wird mit einer Einspritzverstellung betrieben.

Aufgrund der verbesserten Zylinderfüllung ergibt sich eine ansteigende Enthalpie, die bei der Verwendung eines Abgasturboladers zu einer schnellen Steigerung des Ladedrucks und damit zu einer Verbesserung des vorgeschriebenen Effektes führt.

Bei einem mechanischen Lader, dessen Antriebsenergie von der Kurbelwelle abgegriffen wird, ergibt sich ebenfalls eine höhere Laderleistung, da fortlaufend von Arbeitstakt zu Arbeitstakt sehr schnell ein positives Spüldruckgefälle bewirkt wird und so aufgrund der durch höhere Aufladung erhöhten Zylinderfüllung sehr viel schneller eine Erhöhung des Enddrehmomentes erreicht wird.

Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, beispielweise über eine Veränderung der Sauganlage ein Spüldruckgefälle im unteren Drehzahlbereich zur Restgasspülung zu be- einflussen. Die Sauganlage kann beispielsweise über ein stufenloses Verstellen einer Schwingrohrlänge, über ein Umschalten zwischen verschiedenen Schwingrohrlängen, über ein wahlweises Abschalten eines Einzelrohres je Zylinder bei Mehrfach- Schwingrohren, über ein Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen und/oder über ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Schwingrohrdurchmessern beeinflusst werden. Beispielsweise können Einzelschwingrohre eingesetzt werden, wobei im unteren Drehzahlbereich längere Schwingrohre verwendet werden als bei höheren Drehzahlen.

Insbesondere besteht die Möglichkeit, verschiedene Maßnahmen zur Beeinflussung des Spüldruckgefälles miteinander kombinieren zu können.

Die erfindungsgemäße Betriebsweise kann zum einen bewirkt werden von einer Kolben- brennkraftmaschine, bei der zumindest die Einlassventile mit zumindest über Teilbereiche variable Ventiltrieben versehen sind, die über die Steuereinrichtung ansteuerbar sind.

Derartige Ventiltriebe können beispielsweise als sogenannte elektromechanische Ventil- triebe ausgebildet sein, bei denen zwischen zwei Elektromagneten ein mit dem Ventil ver- bundener Anker entsprechend der durch die Steuereinrichtung vorgegebenen Bestro- mung jeweils das Ventil in die Schließstellung und die Öffnungsstellung führt. Der Öff- nungs-und Schließzeitpunkt wird hierbei über die Steuereinrichtung vorgegeben. Auch andere elektromechanische oder elektromagnetische Ventilstelleinrichtungen können ein- gesetzt werden.

Auch mit teilvariablen oder vollvariablen mechanischen Ventiltrieben, bei denen zwischen den festen Steuernocken der Nockenwelle und dem Ventil zusätzliche verstellbare Steu- erkurven vorgesehen sind, lässt sich der erfindungsgemäße Betrieb durchführen.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Betriebsweise insbesondere für konventi- onelle Kolbenbrennkraftmaschinen mit Gaswechselventilen, die über Nockenwellen ge- steuert sind. Zumindest die Nockenwelle für die Einlassventile und vorzugsweise auch für die Auslassventile ist mit entsprechend einstellbaren Nocken zur Einstellung zumindest

des Öffnungszeitpunktes versehen. Ein Nockensteller steht mit der Nockenwelle in Ver- bindung und wird von einer Steuereinrichtung angesteuert. Jedoch können auch andere mechanisch verstellbare Systeme am Ventiltrieb eingesetzt werden, um die notwendige Überschneidung der Öffnungszeiten der Gaswechselventile zu sichern. Die mechani- schen Systeme können beispielsweise eine Tassenstößel-Steuerung, eine Schlepphebel- oder Schwinghebel-Steuerung oder auch eine Kipphebel-Steuerung aufweisen. Des wei- teren besteht die Möglichkeit, verschiedene Systeme miteinander kombinieren zu können.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einem Betriebsbereich ohne Restgasspülung über eine variable Ansteuerung der Gaswechselventile zur Erzeugung einer Ventilüberschnei- dung im unteren Drehzahlbereich eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Die Abgasrück- führung kann durch innermotorische Ventilschaltung und/oder durch Ausnutzung eines Abgasrückführungsventils geschaffen werden. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass die Abgasrückführung nur in einem Betriebsbereich erfolgt, in dem keine Restgasspülung durch Ventilüberschneidung im unteren Drehzahlbereich vorgesehen ist.

Gemäss einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein 4-Takt-Ottomotor eines Kraft- fahrzeugs mit Kraftstoffdirekteinspritzung mit zumindest drei Zylindern zur Verfügung ge- stellt. Jedem Zylinder ist zumindest ein Einlass-und ein Auslassventil zugeordnet. Das Einlassventil steht mit einer Ladedruckerhöhungsvorrichtung in einer Lufteinlassanlage in Verbindung. Eine Verstelleinrichtung der Öffnungs-und Schließzeitpunkte von Einlass- und Auslassventil ist vorgesehen. Diese ist zur Erzielung einer Ventilüberschneidung in einem unteren Drehzahlbereich zur Restgasspülung aktivierbar. Der Ottomotor weist eine Aktivierungsvorrichtung auf, die bei Feststellung von definierten Bedingungen zum Aus- spülen eines Restgases aus dem Zylinder ein Signal erzeugt, wodurch die Verstellvorrich- tung aktiviert wird.

Die Aktivierungsvorrichtung weist gemäß einer ersten Weiterbildung definierte Bedingun- gen hinterlegt auf, so dass erst bei Feststellung eines ausreichenden Spülgefälles das Signal erzeugbar ist. Die Aktivierungsvorrichtung kann jedoch auch mit einem Vorhersa- gemodul gekoppelt sein, mittels dem anhand ermittelter Parameter feststellbar ist, wann das Signal zu erzeugen ist, um Bedingungen im Zylinder zu erzeugen, die erst ein ausrei- chendes Spülgefälle schaffen. Vorzugsweise sind die Aktivierungsvorrichtung und das Vorhersagemodul Bestandteil eines Ventilsteuergerätes, welches über einen CAN-Bus mit einem Motorsteuergerät verbunden ist.

Gemäss einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Spülgefälle mittels einer Messvor- richtung direkt oder indirekt ermittelbar ist. Gemäss einer anderen Ausgestaltung ist vor- gesehen, dass das Spülgefälle aus Betriebsdaten, die in einer Motorsteuerung hinterlegt und ergänzbar sind, ermittelbar ist. Auch können beide Vorgehensweisen miteinander gekoppelt werden. Eine Weiterbildung weist eine Sekundäreinspritzung auf, um darüber ein verbessertes Verbrennungsverhalten aufgrund der hohen Spülung ausnutzen zu kön- nen. Auch ist es möglich, dass im unteren Drehzahlbereich eine Verstellung einer Zün- dung nach"spät"erfolgt.

Vorgesehen ist insbesondere bei einer nach Diesel-wie auch nach Otto-Prinzip arbeiten- den Kolbenbrennkraftmaschine, dass ein mittlerer Gasdruck vor dem Einlassventil ange- hoben wird. Beispielsweise kann dieses insbesondere bei kontrollierter Selbstzündung im 4-Takt-Verfahren Anwendung finden. Eine Drehmomenterhöhung kann darüber hinaus dadurch bewirkt werden, dass zusätzliche motorische Maßnahmen ergriffen werden. Die- ses können beispielsweise die folgenden Mittel sein, die einzeln oder auch in Kombination miteinander verwendet werden : ein Anfetten der Einlassluft bzw. eine Erhöhung der Treibstoffmenge bei Direkteinspritzung, eine Sekundäreinspritzung oder Mehrfachein- spritzung des Treibstoffes, eine Verstellung von Verdichterschaufeln bzw. Leiträdern bei Verwendung eines Abgasturboladers, eine Verstellung der Einspritzung nach"spät"bei einem Otto-Motor, eine Einspritzverstellung allgemein beim Dieselmotor und anderes.

Beispielsweise wird eine aufgeteilte Einspritzung vorgenommen. Diese kann vorsehen, dass eine erste Treibstoffmenge etwa 50% bis 80% der einzuspritzenden Treibstoffmenge erfasst, während eine nachfolgend einzuspritzende Treibstoffmenge 20% bis 50% um- fasst. Dabei kann die nachfolgend einzuspritzende Treibstoffmenge auf einen oder meh- rere Einspritzvorgänge verteilt werden. Vorzugsweise wird eine aufgeteilte Einspritzung insbesondere unter zumindest annähernd Vollast in einem Drehzahlbereich zwischen 1300 U/min und 1500 U/min ausgeführt. Eine Ausgestaltung bei einem direkteinspritzen- den Ottomotor sieht beispielsweise eine Primär-und Sekundäreinspritzung vor, bei der eine Einspritzdauer in einem Verhältnis von etwa 60% bis 75% zu 25% bis etwa 40% von Primär-zu Sekundäreinspritzung vorliegt.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, insbesondere beim aufgeladenen Ottomotor mit Direkt- einspritzung auch verschiedene Brennverfahren im unteren Drehzahlbereich einsetzen zu können. Dieses kann ein Homogenbrennverfahren oder ein geschichtetes Brennverfahren sein. Beispielsweise kann ein strahigeführtes oder luftgeführtes Brennverfahren genutzt werden. Die Direkteinspritzung kann dabei einen oder mehrere Injektoren je Zylinder nut-

zen. Vorzugsweise wird ein Drallinjektor oder ein Mehrlochinjektor genutzt. Ein Spraywin- kel des Injektors liegt in vorteilhafter Weise in einem Bereich unterhalb von 70°, insbeson- dere in etwa um 50°.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Die dort jeweils dargestellten Merkmale können mit anderen Merkmalen der Zeichnungen wie auch mit oben beschriebenen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden und sind nicht beschränkend. Es zeigen : Fig. 1 ein Schaltungsschema einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgas- turbolader Fig. 2 ein Schaltungsschema der Kolbenbrennkraftmaschine gem. Fig. 1 mit mechanischem Lader, Fig. 3 für eine mechanisch aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine die Ab- hängigkeit des Liefergrades und Restgasgehaltes von der Drehzahl und Öffnungszeit, Fig. 4 für eine turboaufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine die Abhängig- keit des Ladedrucks und des Liefergrades vom Öffnungszeitpunkt beim Ladungswechsel im Bereich des oberen Totpunktes, und Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung einer Restgasspülung in einem unteren Drehzahl- bereich.

In Fig. 1 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine mit vier Zylindern I, II, III, IV dargestellt, mit jeweils einem Gaseinlassventil 2 und einem Gasauslassventil 3 je Zylinder. Die Gasein- lassventile 2 stehen mit einer Lufteinlassanlage 4 in Verbindung, während die Gasaus- lassventile mit einer Abgasanlage 5 in Verbindung stehen.

Die dargestellte Kolbenbrennkraftmaschine ist ferner mit einer Kraftstoff- Direkteinspritzung versehen, die beispielsweise als Common-Rail-Einspritzanlage 6 aus- gebildet ist, der über eine Pumpe 7 der Kraftstoff zugeführt wird.

Für die Betätigung der Gaseinlassventile ist eine Nockenwelle 8 vorgesehen, deren No- cken in bezug auf den Öffnungsvorgang für die Gaseinlassventile 2 verstellbar ausgebil- det sind und über einen Nockensteller 9 verstellbar sind. Der Nockensteller 9 steht mit einer Steuereinrichtung 10 in Verbindung, über die die Kraftstoffeinspritzung, die hier nicht näher dargestellte Zündung etc. entsprechend der Lastvorgabe durch ein Gaspedal 11 angesteuert werden.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Gasauslassventile 3 über eine Nockenwelle 12 betätigt, deren Nocken eine fest vorgegebene Steuerkontur aufweisen.

Es kann jedoch auch eine Nockenverstellung und/oder Nockenwellenphasenverstellung der Auslassventile vorgesehen sein. Beide Nockenwellen 8 und 12 werden in üblicher Weise über die hier nicht näher dargestellte Kurbelwelle angetrieben.

Die Abgasanlage 5 steht mit einem als Turbolader ausgebildeten Luftlader 13.. 1 in Verbin- dung, dessen Abgasturbine 14 vom Abgas beaufschlagt wird und dessen Turboverdichter 15 druckseitig mit der Lufteinlassanlage 4 in Verbindung steht. Über ein in der Abgaslei- tung 6 ggf. angeordnetes steuerbares Abblaseventil 16 lassen sich für die jeweiligen Be- triebsbereiche unzulässige Ladedruckerhöhungen durch Reduzierung des die Turbine beaufschlagenden Abgasstrom vermeiden.

Der Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Kolbenbrennkraftmaschine entspricht im wesentli- chen dem Aufbau der anhand von Fig. 1 beschriebenen Anordnung, so dass hierauf ver- wiesen werden kann. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass als Luftlader ein me- chanischer Lader 13.2 eingesetzt ist, dessen Antriebsenergie von der Kurbelwelle 1.1 der Kolbenbrennkraftmaschine 1 abgegriffen wird.

Für beide Fälle ist die Ansteuerung der Einlassventile 2 der einzelnen Zylinder so vorge- sehen, dass im niedrigen Drehzahlbereich über den Nockensteller 9 die Steuernocken der einlassseitigen Nockenwelle 8 in Richtung auf"Frühes-Einlass-Öffen"verstellt werden, so dass das Einlassventil 2 jeweils bereits geöffnet ist, bevor das Auslassventil schließt. Der Luftlader 13.1 bzw. 13.2 muss so angelegt sein, dass bei niedrigen Drehzahlen im An- fahrbereich und in einem Betriebsbereich von beispielsweise 1300 U/min ein positives Spüldruckgefälle vorhanden ist, d. h. sichergestellt ist, dass die vom Lader der Einlassan- lage 4 zugeführte Luft gegenüber dem Gegendruck in der Abgasanlage 5 einen höheren Druck aufweist

Beim Übergang zu höheren Drehzahlen wird von der Steuereinrichtung 10 über den No- ckensteller 9 die Verstellung des Öffnungszeitpunktes der Einlassventile auf den für den Normalbetrieb vorgesehenen Zeitpunkt zurückgenommen.

Anstelle des beschriebenen Turboladers oder des mechanischen Laders kann für die Auf- ladung eine Einrichtung zur sogenannten Impulsaufladung vorgesehen sein. Hierbei wird zur Ladungserhöhung ein Druckgefälle zwischen der Lufteinlassanlage und dem Zylinder ausgenutzt. Durch selbsttätig oder steuerbare Sperrmittel im jeweiligen Lufteinlasskanal kann bei einem anstehenden Druckgefälle Ladeluft stoßartig dem Zylinder zugeführt wer- den. Bei entsprechender Einstellung der Ventilüberschneidung lässt sich eine kurze Rest- gasspülung und damit eine verbesserte Füllung erreichen.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerzeit"Frühes-Einlass-Öffnen"ist hinsichtlich der möglichen Vorverlegung durch den bei der konkreten Motorkonstruktion vorhandenen Freigang zwischen Ventil und Kolben begrenzt. Durch entsprechende Brennraumgestal- tung und/oder angepasste Kolbengeometrien ist es möglich, die Vorverlegung der Steuer- zeit"Frühes-Einlass-Offnen"weit vor den LWOT (Ladedruckwechsel im oberen Totpunkt) vorzulegen, um mit dem Spülvorgang möglichst früh beginnen zu können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass insbesondere bei der Verwendung eines Turboladers durch die Verbesserung des Aufladeprozesses sich Rückwirkungen auf die Laderauslegung erge- ben, so dass eine leistungsorientierte Turboladerauswahl möglich ist und dementspre- chend auch kleinere Baueinheiten eingesetzt werden können.

In Verbindung mit einer Direkteinspritzung kann das Anfahrdrehmoment angehoben wer- den, so dass das Nennmoment bei entsprechend niedrigen Drehzahlen erreicht wird. Ein geringere Klopfbegrenzung führt ab Erreichen des Nennmomentes zu einem geringeren Ladungseinsatz. Der bewirkte bessere Verbrennungswirkungsgrad reduziert den Kraft- stoffverbrauch im gesamten Drehzahiband.

Insbesondere beim Einsatz eines Abgasturboladers ergibt sich die Verbesserung auf den nachstehend erläuterten Einflüssen.

Die leicht spätere Spitzendrucklage bei der Direkteinspritzung verringert den sich einstel- lenden Drehmomentvorteil etwas. Begründet ist diese erhöhte Klopfbegrenzung durch die angestiegene Zylinderfüllung im Brennraum. Ursachen für den höheren Ladungseinsatz ergeben sich aus der Verdampfung des Kraftstoffs direkt im Brennraum. Es kommt zu einer Abkühlung des Gemisches und die Ladungsdichte wird erhöht. Der Luftaufwand,

bezogen auf die Saugrohrbedingungen, steigt stärker als die Verringerung des Drehmo- mentvorteils um einige Prozent an. Dieser Effekt bewirkt eine Verschiebung des Betriebs- punktes im Laderkennfeld zu einem höheren Volumenstrom. Der erhöhte Volumenstrom durch die Turbine führt aufgrund der Freilaufbedingungen zu einer Steigerung des Druck- verhältnisses. Der so erhöhte Ladedruck führt dann zu einer deutlichen Drehmomentstei- gerung. Bilanziert ergeben die einzelnen Einflussparameter einen Anstieg des Drehmo- mentes um etwa 10%.

Der erfindungsgemäß bewirkte Spüleffekt führt zu einer Anpassung des Zylinderluftver- hältnisses. Wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispielen das Gesamtluftverhältnis auf stöchiometrische Randbedingungen erhöht, so dass ungefähr dasselbe Zylinder- Luftverhältnis (Lambda = o, 9) wie bei einer Kolbenbrennkraftmaschine ohne Nockensteller gefahren wird, dann führt dies zu einem Anstieg des Abgastemperatur, höheren Volu- menströmen und damit zu einem verbesserten Energieangebot am Turbineneintritt. Mit dem einsetzenden Selbstverstärkungseffekt des Abgasturboladers sind so Ladedrücke von ca. 1,7 bar bereits bei 1300 U/min möglich. Hieraus ergibt sich eine Verschiebung des Vollastdrehmomentanstiegs zu ca. 200 U/min niedrigeren Drehzahlen.

Das hohe Abgastemperaturniveau im unteren Drehzahlbereich bietet darüber hinaus Vor- teile beim Motorwarmiauf bei entsprechender Optimierung der Steuerzeitenstrategie für den Teillastbereich.

In Fig. 3 sind in Diagrammen für eine mechanisch aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschi- ne die Abhängigkeiten von Restgasgehalt und Liefergrad, bezogen auf den Sammler der Lufteinlassanlage 4, dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Drehzahl. Die Be- triebsdaten beim Versuch sahen vor, dass eine Einlaßeventlänge konstant mit 200°KW und 1 mm vorlag.

Bei einem Öffnungshub von 1 mm ergeben sich für 1000 U/min dann bei einer Öffnung bei 310° Kurbelwinkel (KW) Restgasgehalte von unter 0,6% und ein Liefergrad von 0,99.

Mit steigender Drehzahl bleibt der Restgasgehalt bis etwa 2500 U/min konstant, während der Liefergrad in diesem Drehzahlbereich bereits abfällt (Kurven mit Quadrat markiert).

Der optimale Liefergrad ist über den gesamten dargestellten Drehzahlbereich für einen Öffnungszeitpunkt bei etwa 335° KW gegeben (mit Karo und nach unten weisendem Dreieck markiert). Auch hierbei bleiben die Restgasgehalte mit maximal 1, 5% bis 2500 U/min verhältnismäßig niedrig.

In Fig. 4 sind die Verhältnisse für eine turboaufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine (Ot- tomotor mit Direkteinspritzung) dargestellt. Die Betriebsdaten bei der Ermittlung der Dia- gramme sehen vor, dass Auslass-Öffnet bei 165° KW und Auslass-Schließt bei 351° KW erfolgt. Der Hub beträgt 1 mm, die Drehzahl n=1000 U/min. Mit eckigen Kästchen sind die Messwerte für eine konstante Einlasseventlänge bei 185° KW und 1 mm Hub angegeben.

Mit runden Markierungen sind die Messwerte für Einlass-Schließt-fest bei 555° KW und 1 mm Hub angegeben. Aus den einander zugeordneten Diagrammen ist zu entnehmen, dass der Ladedruck und der Liefergrad sinkt, je näher der Zeitpunkt'lEinlass-öffnet''auf den oberen Totpunkt von einem frühen Öffnen zurückgenommen wird. Der Restgasgehalt steigt mit nachiassender Spülwirkung entsprechend an.

Fig. 5 zeigt in schematischer Ansicht eine Kolbenbrennkraftmaschine 18 mit Gaswechsel- ventilen 19 für eine Restgasspülung in einem unteren Drehzahlbereich. An die Gaswech- selventile 19 ist eine Verstellvorrichtung 20 angeschlossen, wobei die Verstellvorrichtung 20 für Einlass-und Auslassventile getrennt oder so wie dargestellt auch integriert vorlie- gen kann. Die Verstellvorrichtung 20 ist mit einer Aktivierungsvorrichtung 21 gekoppelt, die ebenfalls getrennt wie auch integriert vorliegen kann. Vorzugsweise sind die Verstell- vorrichtung 20 und die Aktivierungsvorrichtung Betsandteil eines Ventilsteuergerätes 22, das beispielsweise auf den Gaswechselventilen 21 aufsitzt. Das Ventilsteuergerät 22 kann jedoch auch getrennt zumindest von der Verstelivorrichtung 20 vorliegen. Das Ven- tilsteuergerät 22 ist über ein Bussystem 23, insbesondere ein CAN-Bus, mit einem Mo- torsteuergerät 24 gekoppelt. Darüber können ermittelte Betriebsdaten der Kolbenbrenn- kraftmaschine 18 an das Ventilsteuergerät 22 weitergegeben werden und umgekehrt. Das Ventilsteuergerät 22 und/oder das Motorsteuergerät 24 können ein Vorhersagemodul 25 aufweisen. Darüber kann ein Öffnen bzw. Schließen von zumindest den Einlassventilen mitinitiiert werden. Über eine Messvorrichtung 26 wiederum können Betriebsdaten ermit- telt werden, über die bestimmt werden kann, ob beispielsweise voreinstellbare Bedingun- gen erreicht sind, die eine Initiierung einer Restgasspülung in einem unteren Drehzahlbe- reich der Kolbenbrennkraftmaschine rechtfertigen. In die Motorsteuerung 24 ist vorzugs- weise auch eine Einspritzsteuerung 27 integriert, über die ein Injektor 28 für eine Treib- stoff-Direkteinspritzung aktivierbar ist. Darüber kann ein Einspritzverlauf, eine Einspritz- menge wie auch eine Einspritzdauer an den jeweiligen Betriebsbereich angepasst in ei- nen Brennraum eingespritzt werden. Dieses ermöglicht beispielsweise zumindest eine Sekundäreinspritzung auch in unteren Drehzahlen. Schematisch dargestellt ist weiterhin eine Abgasrückführung 29. Diese ist insbesondere in einem Betriebsbereich aktiviert, in dem eine Restgasspülung nicht ausgeführt wird. Mit der Kolbenbrennkraftmaschine 18

werden vorzugsweise gemäß einer Ausgestaltung nur die Öffnungszeitpunkte der Ein- lassventile so gestellt, dass eine Ventilüberschneidung mit einem Schließzeitpunkt eines zugehörigen Auslassventils im unteren Drehzahlbereich zur Restgasspülung des Zylin- ders vor dem Ladungswechel im Bereich des oberen Totpunktes mit frischer Ladeluft ge- geben ist.