Fremd gezündete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine fremd gezündete Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der

Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 7.

Zum technischen Umfeld wird bspw. auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 047 722 A1 hingewiesen. Aus dieser ist ein Verfahren zum Betreiben einer

Abgasreinigungsanlage bekannt, die an einer mager betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere einer Otto-Brennkraftmaschine, für ein Kraftfahrzeug angeordnet ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt in einer Abgasreinigungsanlage zuerst einen Stickoxidspeicherkatalysator und weiter einen SCR-Katalysator, wobei das Abgas eine von dem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängige Abgastemperatur aufweist und neben weiteren auch Stickoxide als Schadstoffe enthält. Die

Brennkraftmaschine wird mit einem mageren Luft- / Kraftstoffgemisch (l > 1) betrieben, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Abgastemperatur oberhalb einer bestimmten Temperatur erzeugt und während dieses mageren Betriebszustandes dem Abgas vor dem SCR-Katalysator ein Reduktionsmittel zugeführt wird. Die

Brennkraftmaschine wird mit einem stöchiometrischen Luft- / Kraftstoffgemisch (l = 1) betrieben, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Abgastemperatur unterhalb der bestimmten Temperatur erzeugt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Zielkonflikt zwischen einem erhöhten Kraftstoffverbrauch durch langen Homogenbetrieb nach einem Kaltstart und einen NO _x -Durchbruch durch eine nicht vorhandene

Betriebsbereitschaft des SCR-Systems gelöst. Zur Erfüllung der Abgasgesetzgebung sind seit Jahrzehnten Abgaskatalysatoren im Einsatz, um die Schadstoffe in den Rohmission von Brennkraftmaschinen durch chemische

Nachreaktionen auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Um die Leistungsdichte der

Brennkraftmaschinen zu erhöhen, sind Abgasturbolader seit Jahren Stand der Technik im Bereich von Brennkraftmaschinen. Da sowohl die katalytische Beschichtung als auch das Trägermaterial eines Katalysators sowie die Turbine eines Abgasturboladers nur bis zu einer gewissen Temperatur belastet werden dürfen, ist die maximale Abgastemperatur der Brennkraftmaschine auf diese Temperatur limitiert. Da sich des Weiteren das

Abgastemperaturniveau proportional zur Leistungsdichte einer Brennkraftmaschine verhält, ist somit die Leistungsdichte der Brennkraftmaschine durch die maximal zulässigen

Temperaturen für einen Abgasturbolader und einen Katalysator begrenzt.

Grundsätzlich liegt die maximal zulässige Temperatur vor einer Turbine eines

Abgasturboladers über der des Katalysators, da die Turbine in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator angeordnet ist. Gleichzeitig zieht die Turbine Enthalpie aus dem Abgasmassenstrom, um damit über den Verdichter die Ladeluft zu verdichten, wodurch sie im aufgeladenen Betrieb das Temperaturdelta zwischen Temperatur vor der Turbine und Temperatur vor dem Katalysator noch weiter erhöht.

Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Abgastemperaturbegrenzung durch die oben genannten Bauteile und der Leistungsdichte der Brennkraftmaschine, gibt es bereits viele Technologien und Betriebsstrategien für Brennkraftmaschinen, um die Abgastemperatur abzusenken und somit die Leistungsdichte der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Zwei dieser Möglichkeiten sind die so genannte, dem Fachmann bekannte Miller-Strategie und der gekühlte Abgaskrümmer, welcher unter anderem auch im Zylinderkopf der

Brennkraftmaschine umgesetzt sein kann. In diesem Fall spricht man von einem

zylinderkopfintegrierten Krümmer (ZIK). Während der gekühlte Abgaskrümmer die

Abgastemperatur erst nach den Gaswechselauslassventilen absenken kann und darüber das gesamte Niveau der Abgastemperatur absenkt, wirkt die Miller-Strategie bereits im

Brennraum. Durch kühlere Prozesstemperaturen wird die Klopfneigung der

Brennkraftmaschine abgesenkt, wodurch die so genannte Verbrennungsschwerpunktlage nach früh verschoben werden kann. Der Verbrennungsprozess wird in diesem Fall optimaler und senkt somit ebenfalls die Abgastemperaturen.

Die klassische Anfettung, bei der mehr Kraftstoffmasse eingespritzt wird als beim

momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschinen notwendig ist und somit zur Kühlung beiträgt, als auch die Abmagerung, also eine höhere Luftmasse als momentan notwendig, sind ebenfalls Maßnahmen, um die Abgastemperatur abzusenken.

Die gerade beschriebene Anfettung (l < 1), welche bis heute Stand der Technik ist, wird aufgrund der zukünftigen Emissionierung nicht mehr eingesetzt. Hierdurch ergeben sich hohe Einbußen hinsichtlich der Leistungsdichte der Brennkraftmaschinen. Ebenso stellt auch die Abmagerung (l > 1) aufgrund der erhöhten NO _x -Emissionen erhöhte Anforderungen an das Abgasnachbehandlungssystems und ist somit mit hohen Kosten verbunden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 216 461 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf für vier Zylinder in Reihe und mit einem einlassseitigen und einem auslassseitigen Gaswechselventiltrieb bekannt. Innerhalb des Zylinderkopfes münden ein erster Auslasskanal des ersten Zylinders in einen zweiten Auslasskanal des zweiten Zylinders und ein vierter Auslasskanal des vierten Zylinders in einen dritten Auslasskanal des dritten Zylinders, wobei eine Steuerzeit des auslassseitigen Gaswechselventiltriebs verkürzbar ist. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine werden Verbesserungen hinsichtlich des

Kraftstoffverbrauchs und des Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine erzielt.

Aus Gründen des Bauteilschutzes, insbesondere zum Schutz einer Abgasreinigungsanlage, wie bspw. einem Katalysator, ist es wünschenswert, die Abgastemperatur einer

Brennkraftmaschine zu reduzieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme zur Reduzierung der

Abgastemperaturen einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 sowie verfahrensmäßig durch die Merkmale im Patentanspruch 7 erzielt.

Durch das erfindungsgemäße Konzept, des sog. l-Splits, können die Abgastemperaturen abgesenkt werden, ohne dabei global den A=1-Betrieb zu verlassen und somit hinsichtlich der Emissionierung keine weiteren Aufwände hervor zu rufen. In Kombination mit einem zylinderkopfintegrierten Krümmer kann darüber hinaus über zylinderindividuelle Zündwinkel das Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Fluten abgesenkt werden und weiteres Leistungspotenzial der Brennkraftmaschine gehoben werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Patentanspruch 2 ist zwischen dem Abgaskrümmer und der Abgasreinigungsanlage ein Turbinengehäuse eines

Abgasturboladers in der Abgasanlage angeordnet. Durch diese Maßnahme kann die Erfindung nicht nur für Saug-Brennkraftmaschinen sondern auch für Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader eingesetzt werden.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte

Ausführungsvariante. Mit dieser kompakten Ausführung wird eine besonders gute

Abgaskühlung, insbesondere mit einem zylinderindividuellen Zündwinkel, erzielt.

Eine weitere Verbesserung der Kühlung des Abgases ist mit einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 zu erreichen.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 erhöht die Dynamik der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise.

Eine konsequente Flutentrennung gemäß Patentanspruch 6 ist wiederum eine besonders bevorzugte Ausführungsform.

Mit der Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 1 ist nun ein Verfahren zum Betreiben der fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 7 mit folgenden

Verfahrensschritten möglich:

- Einbringen von Luft und Kraftstoff in den ersten Brennraum mit einem fetten Verhältnis,

- Zünden und Verbrennen des Kraftstoff- / Luftgemisches in dem ersten Brennraum,

- Abführen des Abgases durch die Abgasanlage,

- Einbringen von Luft und Kraftstoff in den zweiten Brennraum mit einem mageren

Verhältnis,

- Zünden und Verbrennen des Kraftstoff- / Luftgemisches in dem zweiten Brennraum,

- Abführen des Abgases durch die Abgasanlage.

Eine nochmalige Absenkung der Abgastemperatur ist durch die Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 8 erzielbar:

- Anpassen einer Verbrennungsschwerpunktlage in dem ersten Brennraum, bis eine Abgastemperatur aus dem ersten Brennraum ein Minimum aufweist,

- Anpassen einer Verbrennungsschwerpunktlage in dem zweiten Brennraum, bis eine Abgastemperatur aus dem zweiten Brennraum ein Minimum aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt:

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird somit vorgeschlagen, die einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Lambdas, also einen Zylinder fett und den anderen Zylinder mager zu betreiben, um damit das Abgastemperaturniveau vor der Abgasreinigungsanlage bzw. vor der Turbine eines Abgasturboladers abzusenken

(dargestellt in Fig. 2). Die„Vertrimmung“ des Lambdas muss hierbei so erfolgen, dass das Abgaslambda nach einer Vermischung des Abgases der einzelnen Zylinder, vor der Abgasreinigungsanlage wieder exakt 1 ist und somit stöchiometrisch. Ein 3-Wege- Katalysator kann somit die Schadstoffe im Rohabgas, analog zum klassischen l = 1 Betrieb, vollständig konvertieren. Bei Brennkraftmaschinen mit gerader Zylinderanzahl kann hierbei eine Hälfte der Zylinder mager und die andere Hälfte fett betrieben werden. Durch diesen erfindungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Abgastemperatur abgesenkt und somit kann die Leistungsdichte der Brennkraftmaschine erhöht werden. Werden zusätzlich die Zündwinkel, also der Zündzeitpunkt der einzelnen Zylinder individuell auf eine minimale Abgastemperatur angepasst, wird eine weitere Absenkung des

Abgastemperaturniveaus erzielt. Dies liegt insbesondere daran, dass durch den fetten Betrieb die Klopfneigung deutlich absinkt, und somit eine bessere

Verbrennungsschwerpunktlage realisiert werden kann, welche zusätzlich zur

Temperaturabsenkung beiträgt. Je weiter ein Zylinder ins Mageren oder ins Fette verlegt wird, desto größer wird die Temperaturabsenkung im Vergleich zum normalen Betrieb. Ein l kann hierbei zwischen 0,8 und 1 ,2 liegen. Durch diese Maßnahme ist eine

Temperaturabsenkung des Abgases im Realbetrieb um bis zu 60 °C darstellbar.

In Kombination mit einem Twin-Scroll-Abgasturbolader bietet sich hierbei die Möglichkeit, den Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Fluten zu verringern. Hierbei werden bspw. für den Fall einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine die Zylinder 2 und 3, deren Abgas durch die kürzeren Wege im Abgaskrümmer weniger abkühlen, fett betrieben und somit das Abgas im Verhältnis zu den Zylindern 1 und 4 weiter abgekühlt. Der

Temperaturunterschied zwischen den Scrolls wird somit geringer und der Bauteilschutz besser. Im Falle eines gekühlten Abgaskrümmers, wo dieser Effekt noch stärker zum Tragen kommt, ist diese Vorgehensweise noch hilfreicher. Da insbesondere durch die fett betriebenen Zylinder große Mengen an unverbrannten Kraftstoffresten und Kohlenmonoxid im Rohabgas der Brennkraftmaschine auftreten und durch die mager betriebenen Zylinder Sauerstoffüberfluss in das Rohabgas gelangt, steigt durch deren Umsetzung in der

Abgasreinigungsanlage die Wärmefreisetzung tendenziell an. Die Temperatur in der Abgasreinigungsanlage steigt somit etwas. Da aber insbesondere durch den mageren Betrieb die Kohlenmonoxid-Emission dieser Zylinder sehr niedrig ist, hält sich der Anstieg dieser Exothermen in Grenzen. Der Split-Faktor, also wie der Fett- und Magerbetrieb je Zylinder eingestellt wird, muss somit spezifisch für jede Brennkraftmaschine eingestellt werden.

Für Brennkraftmaschinen, deren Abgas aller Zylinder bereits vor der Abgasreinigungsanlage bzw. vor der Turbine des Abgasturboladers zusammengeführt wird, kann es durch die hohen Temperaturen bereits vor der Abgasreinigungsanlage bzw. der Turbine zu Nachreaktionen kommen. Hierdurch ist die Temperaturabsenkung durch den Lambda-Split geringer, aber immer noch vorhanden. In diesem Fall kann es, je nach konstruktiver Ausführung vorteilhaft sein, dass nicht entsprechend der Zündfolge auf einen mageren ein fetter Abgaspuls folgt, sondern mehrere fette gefolgt von der gleichen Anzahl mehrerer magerer Pulse. Die Nachreaktionen werden somit aufgrund der längeren zeitlichen Trennung zwischen mager und fett reduziert und somit wieder in den Katalysator verlagert. Letzterer ist in der Lage Sauerstoff einzuspeichern und somit die zeitliche Verschiebung zwischen den zur vollständigen Umwandlung notwendigen Reaktionspartnern abzupuffern.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die erfindungsgemäße Wirkung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße, beispielsweise vierzylindrige

Brennkraftmaschine 1. Durch einen Luftsammler 10 saugt die Brennkraftmaschine Frischluft für ihre zwei ersten Brennräume 2 und ihre zwei zweiten Brennräume 3. Die Brennräume, die auch den einzelnen Zylindern entsprechen, sind durch Kreis symbolisch dargestellt. Hier kann bspw. die Gemischbildung durch direkte Einspritzung in die Brennräume 2, 3 und/oder in den Luftsammler 10 erfolgen. In den Brennräumen 2, 3 wird dieses Kraftstoff-Luftgemisch verbrannt und durch einen Abgaskrümmer 5 in eine Abgasanlage 4 ausgestoßen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel durchströmen die Abgase zuerst ein Turbinengehäuse 7 eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers und weiter eine Abgasreinigungsanlage 6. Diese Abgasreinigungsanlage 6 kann bspw. ein 3- Wege- Katalysator sein. Das

Turbinengehäuse 7 und die Abgasreinigungsanlage 6 sind Teil der Abgasanlage 4. In diesem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abgaskrümmer 5 in den Zylinderkopf integriert (ZIK), muss es aber nicht sein. Unabhängig davon, ob der Abgaskrümmer 5 in dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 integriert ist oder nicht, auch unabhängig davon, ob es sich um einen Gusskrümmer oder einen Luftspalt isolierten Abgaskrümmer 5 handelt, wird ein erster Abschnitt der Abgasanlage 4 vom den ersten Brennräumen 2 zur T urbine 7 besser gekühlt als von den zweiten Brennräumen 3 zur T urbine 7. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Turbine 7 auch entfallen, sodass die Abgasreinigungsanlage 6 das erste Bauteil ist, welches von dem Abgas in der Abgasanlage 4 durchströmt wird. Weiter wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Abgasanlage 4 innerhalb des

Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine 1 gekühlt, insbesondere Flüssigkeit gekühlt.

Weiter ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Turbine 7 zweiflutig ausgeführt, d. h. es handelt sich um eine so genannte Twin-Scroll-Turbine, mit einem ersten Scroll 8 und einem zweiten Scroll 9. Auch einflutige Turbinen, sog. Mono-Scroll-Turbinen können für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden. Bevorzugt münden der erste Abschnitt der Abgasreinigungsanlage 4 in den ersten Scroll und der zweite Abschnitt der Abgasreinigungsanlage 4 in den zweiten Scroll 9.

Mit der hier vorliegenden, fremd gezündeten Brennkraftmaschine 1 ist nun ein Verfahren zum Betreiben mit folgenden Verfahrensschritten möglich:

- Einbringen von Luft und Kraftstoff in den ersten Brennraum 2 mit einem mageren

Verhältnis (l > 1),

- Zünden und Verbrennen des Kraftstoff- / Luftgemisches in dem ersten Brennraum 2,

- Abführen des Abgases durch die Abgasanlage 4,

- Einbringen von Luft und Kraftstoff in den zweiten Brennraum 3 mit einem fetten Verhältnis

(l < 1),

- Zünden und Verbrennen des Kraftstoff- / Luftgemisches in dem zweiten Brennraum 3,

- Abführen des Abgases durch die Abgasanlage 4.

Eine weitere Absenkung des Abgastemperaturniveaus ist durch folgende Verfahrensschritte möglich:

- Anpassen einer Verbrennungsschwerpunktlage in dem ersten Brennraum 2, bis eine Abgastemperatur aus dem ersten Brennraum 2 ein Minimum aufweist,

- Anpassen einer Verbrennungsschwerpunktlage in dem zweiten Brennraum 3, bis eine Abgastemperatur aus dem zweiten Brennraum 3 ein Minimum aufweist. Diese Anpassung der Verbrennungsschwerpunktlage kann bspw. mit einem

Motorsteuergerät erfolgen, welches die Daten durch Messsensoren bereitgestellt bekommt oder wobei die Daten in einem Kennfeld abgelegt sind.

Die Verbrennungsschwerpunktlage gibt die Kurbelwinkelposition an, bei der 50% des Kraftstoffgemischs umgesetzt ist und wird weiter als Maß für den Wirkungsgrad der

Verbrennung herangezogen. Eine vom Wirkungsgrad optimale Verbrennung für Otto- Brennkraftmaschinen liegt bei einer Schwerpunktlage von ca. 8 Grad Kurbelwinkel nach dem Zünd-OT.

Fig. 2 zeigt die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Diagramm.

Über eine y-Achse ist eine Temperatur des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage 6 bzw. vor der Turbine 7 aufgezeichnet, von 780 °C bis 930 °C. Über eine x-Achse ist ein zylinderselektives l dargestellt, in einem Bereich von 0,9 bis 1 ,08.

Ein erster Graph ist mit 11 beziffert, der stellvertretend ist für die Abgastemperatur aus dem ersten Brennraum 2 vor der Abgasreinigungsanlage 6, bei Variation des Lambdas von 0,9 bis 1 ,08. Ein zweiter Graph ist mit 12 beziffert, der stellvertretend ist für die

Abgastemperatur, die aus dem zweiten Brennraum 3 austritt vor der Abgasreinigungsanlage 6 bei Variation des Lambdas von 0,9 bis 1 ,08. Die Messungen, die die Basis für die Graphen darstellen, sind eine Verstellung des Lambdas gleichmäßig auf allen Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zur Darstellung des erfindungsgemäßen Effekts.

Wie in dem Diagramm erkennbar ist, ist eine Abgastemperaturabsenkung im fetten Bereich bei ca. l=0,9 etwa 60° kälter als beim Betrieb mit A1 , während bei einem mageren Gemisch bei ca. l=1 ,08 die Temperaturabsenkung ca. 40 °C beträgt. Eine weitere Absenkung im fetten Betrieb ist insbesondere durch eine Anpassung des Zündwinkels möglich.

Bezugszeichenliste

1. Brennkraftmaschine

2. erster Brennraum

3. zweiter Brennraum

4. Abgasanlage

5. Abgaskrümmer

6. Abgasreinigungsanlage

7. Turbinengehäuse

8. erster Scroll

9. zweiter Scroll

10. Luftsammler

11. Abgastemperatur erster Brennraum

12. Abgastemperatur zweiter Brennraum