Hubkolben-Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine.

[0002] Dieselmotoren für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge, sind dem Stand der Technik entsprechend üblicherweise mit einer Abgasturboaufladung (ATL) ausgestattet. Der damit erzielbare höhere Luftüberschuss bewirkt eine geringere Stickstoffoxid- und Partikelemission. Problematische Betriebsbereiche sind jedoch Beschleunigungsvorgänge aus dem Leerlauf oder der niederen Teillast, da hier zum Zeitpunkt der Beschleunigung noch kein ausreichender Ladedruck zur Verfügung steht, um einen permanent hohen Luftüberschuss aufrechtzuerhalten. Eine erhöhte Stickstoffoxid- und Partikelemission (Rußausstoß) bei Beschleunigungsvorgängen sind die Folge.

[0003] Aus der Praxis ist zur Minimierung dieser Nachteile bekannt, eine zusätzliche Lufteinblasung vorzusehen, bei der während der Beschleunigung Luft aus dem Bremsluftsystem des Fahrzeugs in das Ladeluftverteilerrohr geleitet wird. Das Rückschlagen der zugeführten Luft zur Ansauganlage wird durch Klappen verhindert. Derartige Klappen verhindern jedoch, dass von der Abgasturboaufladung erzeugte Ladeluft zum Motor gelangen kann. Nachteilig an diesem Ansatz ist daher, dass die gesamte benötigte Luft bis zum Aufbau eines ausreichenden Ladedrucks aus dem Bremsluftsystem entnommen werden muss.

[0004] In der Patentschrift DE 101 29 976 B4 wird ein Verfahren beschrieben, das zum Zusatzeinblasen von Luft die zum Anlassen benötigten, als Tellerventile ausgeführten Anlassventile eines Großmotors verwendet. Diese werden pneumatisch oder hydraulisch angesteuert.

[0005] Aus der DE 10 2004 028 216 A1, der EP 2 333 271 A1 und der FR 2 865 769 A1 sind Hubkolben-Brennkraftmaschinen bekannt, die neben den Auslass- und Einlassventilen zusätzlich ein elektromagnetisches Ventil am Zylinderkopf aufweisen, das mit einem direkt am Zylinderkopf angeordneten Druckluftspeicher verbunden ist. Die US 2005/182553 A1 offenbart eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei der der Brennraum mit einem Druckluftspeicher koppelbar ist. Hierfür wird insbesondere die Verwendung eines elektromagnetischen Ventils zur Kopplung vorgeschlagen. Aus der DE 44 11 934 C1 ist eine Vorrichtung zum Umschalten einer Brennkraftmaschine in einen Luftpresserbetrieb bekannt, wobei von einem Druckluftspeicher aus über eine Druckleitung ein Umschaltventil eines Zylinders der Brennkraftmaschine betätigbar ist.

[0006] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Hubkolben-Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Hubkolben-Brennkraftmaschinen vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bereitzustellen, die sich für den Einsatz mit einem Abgasturbolader zur Minimierung der Schadstoffemissionen eignet und/oder die einen effizienteren Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bereitzustellen, das Nachteile herkömmlicher Betriebsverfahren vermeidet.

[0007] Diese Aufgaben werden durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

[0008] Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung werden die genannten Aufgaben durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gelöst, bei der zusätzlich zu den am Lufteinlass bzw. Luftauslass des Zylinderkopfs angeordneten Lufteinlass- bzw. Luftauslassventilen, über die der Ladungswechsel im Ausstoßtakt und Ansaugtakt erfolgt, ein elektromagnetisches Ventil zur Lufteinbringung in den Brennraum und/oder Luftausbringung aus dem Brennraum angeordnet ist.

[0009] Das elektromagnetische Ventil, nachfolgend auch als elektromagnetisch betätigbarer Injektor bezeichnet, ist beispielsweise ein elektrisch gesteuertes Magnetventil. Das elektromagnetische Ventil ist vorzugsweise am Ende einer Druckluftleitung angeordnet, die den Zylinder, an dem das elektromagnetische Ventil angeordnet ist, mit einem Druckluftspeicher eines Druckluftsystems verbindet. Das elektromagnetische Ventil koppelt somit in einer geöffneten Stellung den Brennraum des Zylinders und einen Druckluftspeicher über die Druckluftleitung. Somit erfolgt eine Zusatzlufteinbringung in den Brennraum mittels des elektromagnetischen Ventils nicht über die herkömmliche Ladeluftzufuhrleitung, sondern über eine separate Druckluftleitung. Die Einlassventile und Auslassventile am Zylinderkopf können als Tellerventile ausgebildet sein. Der Druckluftspeicher ist eingerichtet, die Druckluftbremse eines Fahrzugs zu speisen.

[0010] Vorzugsweise ist an jedem Zylinderkopf einer Zylinderbank ein derartiges elektromagnetisches Ventil angeordnet. Das elektromagnetische Ventil ist zur Lufteinbringung in den Brennraum und/oder zur Luftausbringung aus dem Brennraum ansteuerbar. Durch das präzise und schnell schaltbare elektromagnetische Ventil kann somit die Luftmenge im Brennraum auch bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen gesteuert werden, beispielsweise im Verdichtungstakt.

[0011] Zur Zusatzlufteinblasung ist das elektromagnetische Ventil vorzugsweise von einer Steuereinheit angesteuert, derart, dass in einem Bereich des Schließens der Einlassventile das elektromagnetische Ventil in eine Öffnungsstellung gebracht wird, um zusätzlich Luft in den Brennraum über das elektromagnetische Ventil einzubringen. Das elektromagnetische Ventil wird wieder in eine Schließstellung gebracht, wenn oder bevor der durch die Kompression im Verdichtungstakt erhöhte Druck im Zylinder den Luftdruck im Druckluftsystem übersteigt. Der vorgenannte Bereich des Schließens der Einlassventile soll auch Zeitpunkte unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Schließen der Einlassventile umfassen.

[0012] Da über das elektromagnetische Ventil Zusatzluft direkt in den Brennraum eingebracht werden kann, vorzugsweise nach Schließen der Einlassventile, entfällt die Notwendigkeit von Rückschlagklappen. Die Befüllung der Zylinder mit Luft, unter anderem mit Unterstützung des Abgasturboladers, kann in üblicher Weise erfolgen, so dass die Zusatzeinblasung über das elektromagnetische Ventil nur bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Dadurch kann ein permanent hoher Luftüberschuss aufrecht erhalten werden, um die Stickstoffoxid- und Partikelemission zu reduzieren.

[0013] Vorzugsweise ist das elektromagnetische Ventil so ausgebildet, dass ein effektiver Querschnitt des elektromagnetischen Ventils, das heißt ein effektiver Querschnitt zur Lufteinblasung im Bereich von 5 bis 20 mm², weiter vorzugsweise im Bereich von 10 bis 15 mm² liegt. Für Zylinderhubvolumen von 1,5 bis 2 I sind effektive Querschnitte von 10 bis 15 mm² besonders vorteilhaft. Der bevorzugte effektive Öffnungsquerschnitt des elektromagnetischen Ventils ist somit größer als bei herkömmlichen elektromagnetischen Ventilen und reduziert die erforderliche Zeitdauer zur Lufteinblasung und Luftentnahme. Dies ist vorteilhaft, da durch die hohen Verdichtungsverhältnisse bei Dieselmotoren Verdichtungsenddrücke im Verdichtungstakt in der Größenordnung von 50 bar erreicht werden, so dass der durch die Kompression erhöhte Druck im Zylinder in kurzer Zeit den Druck im Druckluftsystem des Druckluftbehälters 1 übersteigt. Das zur Verfügung stehende Zeitfenster zur Lufteinblasung ist somit klein.

[0014] Das elektromagnetische Ventil ist mittels einer Steuereinheit auf- und zusteuerbar. Die Steuereinheit kann so eingerichtet sein, dass Steuerparameter des Ventils, insbesondere betreffend eine Entscheidung, ob eine Betätigung des elektromagnetischen Ventils im momentanen Betriebszustand erfolgt, betreffend einen Öffnungsbeginn des elektromagnetischen Ventils und/oder ein Öffnungsende des elektromagnetischen Ventils in Abhängigkeit von einer Kolbenstellung, einer Lastanforderung, einer Motordrehzahl und/oder eines Ladedrucks im Zylinder bestimmt werden. Ferner besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Steuerparameter des elektromagnetischen Ventils in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur in einem den Druckluftspeicher enthaltenden Druckluftsystem zu bestimmen.

[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Motorsteuergerät als Steuereinheit für das elektromagnetische Ventil verwendet. Bei einer vorteilhaften Variante dieser Ausgestaltungsform ist die Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzung ausgeführt. Als Steuereinheit für das elektromagnetische Ventil kann dann vorteilhafterweise die Steuereinheit des Common-Rail-Einspritzsystems verwendet werden, so dass beispielsweise bei einem Dieselmotor das gleiche Motorsteuergerät zur Steuerung der Dieselinjektoren 11 und zur Steuerung der entsprechenden elektromagnetisch betätigbaren Luftinjektoren 4 verwendet wird.

[0016] Die Hubkolben-Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine (Dieselmotor). Die Hubkolben-Brennkraftmaschine mit dem elektromagnetischen Ventil kann ferner als Ottomotor (Benzinmotor) ausgebildet sein, was nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.

[0017] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug mit einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß einer der vorstehend beschriebenen Aspekte.

[0018] Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei Nutzfahrzeugen. Hierbei kann das elektromagnetische Ventil den Brennraum mit dem Druckluftsystem der Bremsen pneumatisch koppeln, wie vorstehend bereits erwähnt.

[0019] Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Nutzfahrzeug ein erstes Druckluftsystem mit einem ersten Druckluftspeicher, z. B. zur Versorgung der Bremsen mit Druckluft, und ein zweites Druckluftsystem mit einem zweiten Druckluftspeicher, wobei der zweite Druckluftspeicher im Betrieb des Fahrzeugs mit einem höheren Druck als der erste Druckluftspeicher betrieben wird. Der zweite Druckluftspeicher ist mit dem Brennraum über das elektromagnetische Ventil pneumatisch koppelbar und ferner ausgebildet, den ersten Druckspeicher mit Druckluft zu befüllen.

[0020] In dieser Ausführungsvariante werden somit die hohen Verdichtungsverhältnisse im Verdichtungstakt ausgenutzt, um den zweiten Druckluftspeicher über eine Entnahme von komprimierter Luft aus dem Brennraum durch Öffnen des elektromagnetischen Ventils zu befüllen. Dies hat den Vorteil, dass das Druckluftsystem für die Bremsen kleiner ausgeführt werden kann und bei gleichem Volumen insgesamt eine größere Masse an Druckluft gespeichert werden kann. Ferner können die elektromagnetischen Ventile mit kleineren effektiveren Querschnitten ausgelegt werden.

[0021] Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bereitgestellt, wobei Druckluft aus einem Druckluftspeicher über das elektromagnetische Ventil in den Brennraum eingebracht wird, zusätzlich zur Ladeluft, die über das wenigstens eine Einlassventil in den Brennraum eingebracht wird. Ferner kann komprimierte Luft über das elektromagnetische Ventil aus dem Brennraum entnommen und dem Druckluftspeicher wieder zugeführt werden. Wie vorstehend bereits erwähnt beginnt die Zusatzlufteinblasung von Druckluft über das elektromagnetische Ventil im Bereich des Schließens des wenigstens einen Einlassventils und endet spätestens, wenn ein Gasdruck im Zylinder einen Luftdruck im Druckluftspeicher erreicht.

[0022] Das Vorsehen eines elektromagnetisch betätigbaren Injektors, der im Vergleich zu Tellerventilen präziser ansteuerbar und schneller betreibbar ist, um in kurzen Zeitabständen Luft in den Brennraum einzuführen und/oder Luft aus dem Brennraum auszubringen, ermöglicht weitere zusätzliche vorteilhafte Betriebsverfahren der Hubkolben-Brennkraftmaschine durch entsprechende Auf- und Zusteuerung des Ventils. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren den Schritt, dass in Betriebszuständen, bei denen nicht das volle Motordrehmoment benötigt wird, bei wenigstens einem Zylinder mit abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung das elektromagnetische Ventil im Bereich des oberen Totpunkts, vorzugsweise unmittelbar vor Erreichen des oberen Totpunkts, geöffnet und während der Abwärtsbewegung des Kolbens wieder geschlossen wird, um komprimierte Luft aus dem Brennraum zu entnehmen und dem Druckluftspeicher zuzuführen.

[0023] Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann somit in Betriebszuständen, bei denen nicht die volle Motorleistung beziehungsweise das volle Motordrehmoment benötigt wird, zur Drucklufterzeugung verwendet werden. Durch den höheren Druck im Zylinder, der im Verdichtungstakt entsteht, werden die Druckluftspeicher befüllt.

[0024] In diesem Betriebsmodus kann die Hubkolben-Brennkraftmaschinen auch zur Bremsenergierückgewinnung genutzt werden. Werden Schubphasen ohne Kraftstoffeinspritzung wie vorstehend beschrieben zur Drucklufterzeugung genutzt, ergibt sich eine Effizienzsteigerung des Systems, da Bremsenergie zur Drucklufterzeugung verwendet wird.

[0025] Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Betriebszustand, bei dem nicht die volle Motorleistung genutzt wird, ein Schubbetrieb ohne Kraftstoffeinspritzung. In dieser Variante steuert die Steuerungseinheit das elektromagnetische Ventil wie folgt. Zu Beginn des Verdichtungstakts des Schubbetriebs unmittelbar nach Schließen des Einlassventils wird das elektromagnetische Ventil in eine geöffnete Stellung gebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck im Brennraum kleiner als im Druckluftspeicher. Es erfolgt eine Zusatzlufteinblasung von Druckluft in den Brennraum. Spätestens wenn der Gasdruck im Zylinder bzw. im Brennraum den Druck im Druckluftspeicher erreicht, wird das elektromagnetische Ventil wieder geschlossen. Anschließend wird im Bereich des oberen Totpunkts, z. B. vor dem oberen Totpunkt, das elektromagnetische Ventil wieder geöffnet und während der Abwärtsbewegung des Kolbens anschließend wieder geschlossen, um komprimierte Luft aus dem Brennraum zu entnehmen und dem Druckluftspeicher rückzuführen.

[0026] Gemäß dieser Ausführungsvariante wird somit eine höhere Bremswirkung dadurch erzeugt, dass im Verdichtungstakt zusätzlich Luft in den Zylinder eingebracht wird, so dass durch die erhöhte Zylinderfüllung während der Aufwärtsbewegung des Kolbens eine erhöhte Verdichtungsarbeit verrichtet wird, die auf die Kurbelwelle bremsend wirkt. Um zu verhindern, dass die in der Luft gespeicherte Energie in der Abwärtsbewegung beschleunigend auf die Kurbelwelle wirkt, wird der Injektor im oberen Totpunkt des Kolbens wieder geöffnet und zur Befüllung des Druckluftsystems entnommen.

[0027] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Nutzfahrzeug vorgeschlagen, bei dem die Drucklufterzeugung mittels der beschriebenen Entnahme von komprimierter Luft aus dem Brennraum und Zuführung in den Druckluftspeicher erfolgt, ohne dass ein separat verbauter Luftpresser zur Drucklufterzeugung vorgesehen ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist somit, dass bei geeigneter Auslegung des Systems auf den bei Nutzfahrzeugen üblicherweise verbauten Luftpresser zur Drucklufterzeugung verzichtet werden kann.

[0028] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird das elektromagnetische Ventil so angesteuert, dass die Luftmenge, die über das Einlassventil in den Brennraum eingebracht wurde, über eine zumindest teilweise Entnahme durch das elektromagnetische Ventil vor der Verbrennung reduziert wird, um die Abgastemperatur gezielt zu erhöhen. Diese über das elektromagnetisches Ventil gesteuerte Verfettung ermöglicht eine gezielte Erhöhung der Abgastemperaturen, um beispielsweise eine frühere Aktivität der Abgasnachbehandlungssysteme nach einem Motorstart zu ermöglichen.

[0029] Diese Betriebsart wird somit vorzugsweise nach einem Kaltstart eingesetzt, bis der Motor die normale Betriebstemperatur erreicht. Ferner kann im Leerlauf und Schwachlastbereich mit dieser Ausführungsvariante die Wirksamkeit des Abgasnachbehandlungssystems gesteigert werden. Im Gegensatz zur Reduzierung der Luftmenge durch Drosselung der Ansaugluft muss dabei keine Wirkungsgradverschlechterung durch Drosselverluste in Kauf genommen werden.

[0030] Gemäß einer vorteilhaften Variante dieser Ausgestaltungsform kann diese Betriebsart bei einer selbstzündenden Hubkolben-Brennkraftmaschine durch Vorsehen einer Lambdasonde auch in einem geschlossenen Regelkreis erfolgen, wobei die Lambdasonde die Regelgröße misst und das elektromagnetische Ventil als Stellglied angesteuert wird. Dadurch kann eine Lambda-Regelung, wie sie an sich aus dem Stand der Technik für Ottomotoren bekannt ist, für einen Dieselmotor dargestellt werden, die qualitativ der Lambda-Regelung eines modernen Ottomotors entspricht.

[0031] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

ein schematisches Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine eines Dieselmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Figur 2

ein schematisches Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine eines Ottomotors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Figur 3

ein schematisches Blockschaltbild einer Diesel-Brennkraftmaschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

[0032] Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau des Zylinders einer selbstzündenden Brennkraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der im Zylinder beweglich geführte Kolben 7 wird durch einen von der Kurbelwelle angetriebenen Pleuel 8 bewegt. Am Zylinderkopf 3 sind mindestens ein Einlassventil 5 und mindestens ein Auslassventil 6 in Form von Tellerventilen angeordnet. Diese werden im Ansaugtakt und Ausstoßtakt, dem sog. Ladungswechselteil, in bekannter Weise abwechselnd mit einer möglichen Ventilüberschneidung geöffnet und wieder geschlossen, um Frischgas aus dem Ladeluftkanal über das Einlassventil 5 in den Zylinder einzusaugen und Abgas über das Auslassventil 6 aus dem Zylinder zu schieben. Ferner kann ein Abgasturbolader vorgesehen sein (nicht gezeigt), der einen Überdruck zum Laden des Zylinders über das Einlassventil 5 erzeugen kann. Die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 3 erfolgt über den am Zylinderkopf angeordneten Dieselinjektor 11.

[0033] Am Zylinderkopf 3 ist ein elektrisch betätigbares Magnetventil 4 angeordnet, das in den Brennraum 3 mündet. Die außerhalb des Brennraums 13 liegende Öffnung des Magnetventils 4 ist an einer Druckluftleitung 2a angeschlossen, über die das elektromagnetische Ventil 4 mit einem Druckluftsystem verbunden ist. Die anderen Zylinder der Zylinderbank (in Figur 1 nicht gezeigt) sind in vergleichbarer Weise aufgebaut.

[0034] Im Druckluftsystem ist ein Druckluftbehälter 1 angeordnet, aus dem beispielsweise die Druckluftbremse eines Nutzfahrzeugs mit Druckluft versorgt wird (nicht gezeigt). Die Druckluftleitungen 2a von den elektromagnetischen Ventilen 4 jedes Zylinders der Zylinderbank werden durch ein Luftverteiler-Rail 10 in eine Druckluftleitung 2b zusammengeführt, die mit dem Druckluftbehälter 1 verbunden ist. Zwischen dem Druckluftbehälter 1 und dem Luftverteiler-Rail 10 ist ferner ein Absperrventil 9 vorgesehen. Der Druckluftbehälter 1, wie er typischerweise bei Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommt, wird in einem Bereich von 10 bis 12 bar betrieben.

[0035] Die Ansteuerung des elektromagnetischen Ventils 4 erfolgt durch das Steuergerät des Common-Rail-Einspritzsystems, das über eine Steuerleitung mit dem elektromagnetischen Ventil 4 verbunden ist (nicht gezeigt). Die Steuereinheit zur Ansteuerung von Common-Rail-Injektoren 11, insbesondere die Endstufe zur Ansteuerung von Common-Rail-Injektoren 11, ist auch zur Ansteuerung des elektromagnetischen Injektors 4 geeignet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird somit die gleiche Endstufe, die zur Ansteuerung des Dieselinjektors 11 verwendet wird, mittels eines Multiplexverfahrens, auch zur Ansteuerung des elektromagnetischen Ventils 4 genutzt.

[0036] Die Steuereinheit ermittelt die für die Steuerung des elektromagnetischen Ventils 4 benötigten Steuerungsgrößen bzw. -parameter, z. B. Betrieb des Ventils JA oder NEIN, Öffnungsbeginn und Öffnungsende des Ventils 4. Die Ermittlung der Steuerungsgrößen erfolgt in Abhängigkeit von der aktuellen Lastanforderung, der Motordrehzahl und des Ladedrucks, die bereits im Steuergerät für die Steuerung der Dieselinjektoren 11 vorliegen. Ferner ist das Steuergerät eingerichtet, über eine digitale Schnittstelle mit weiteren, im Fahrzeug angeordneter Steuergeräten oder direkt von entsprechenden Sensoren 17 den Druck und die Temperatur im Luftsystem 1 als weitere für die Berechnung der Steuerungsparameter verwendete Größen zu ermitteln. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Druck- und Temperaturmessfühler 17 am Druckluftbehälter 1 und ein weiterer Druck- und Temperaturmessfühler 17 ist an der Verteiler-Rail 10 angeordnet, um den Druck und die Temperatur im Druckluftbehälter 1 bzw. in der Verteiler-Rail 10 zu messen.

[0037] Figur 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Figur 1 für Ottomotoren, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird. Eine Besonderheit dieser Brennkraftmaschine besteht darin, dass anstatt eines Dieselinjektors 11 eine Zündkerze 12 vorgesehen ist, mit der das Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum 13 gezündet wird. Ferner ist ein zusätzliches Rückschlagventil 14 stromauf des elektromagnetischen Ventils 4 in der Druckluftleitung 2 vorgesehen, um zu verhindern, dass brennfähiges Gemisch aus dem Brennraum 13 über das elektromagnetische Ventil 4 in das Druckluftsystem gelangt.

[0038] Figur 3 zeigt eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Figur 1 und unterscheidet sich von diesem dadurch, dass nun ein zweistufiges Druckluftsystem vorgesehen ist. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus Figur 1 sind die einzelnen Zylinder über ihre jeweiligen elektromagnetischen Ventile 4 und die Druckluftleitungen 2a nicht direkt an den Druckluftbehälter 1, aus dem beispielsweise die Druckluftbremse des Nutzfahrzeugs gespeist wird, angeschlossen. Vielmehr ist ein zweiter Druckluftbehälter 14, der mit höherem Druck als der erste Druckbehälter 1 betrieben wird, zwischen dem ersten Druckluftbehälter 1 und den Zylindern angeordnet.

[0039] In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Druck- und Temperaturmessfühler 17 jeweils am ersten Druckluftbehälter 1, am zweiten Druckluftbehälter 14 und an der Verteiler-Rail 10 angeordnet, um den Druck und die Temperatur jeweils im ersten Druckluftbehälter 1, im zweiten Druckluftbehälter 14 und in der Verteiler-Rail 10 zu messen.

[0040] Während der erste Druckluftbehälter typischerweise in einem Bereich von 10 bis 12 bar betrieben wird, ist der zweite Druckluftbehälter ein Hochdruckbehälter, der in der Größenordnung von ca. 30 bar betrieben wird.

[0041] Die beiden Druckluftbehälter 1, 14 sind wiederum über eine Druckluftleitung 2c verbunden. Zwischen den beiden Druckluftbehältern ist ein Rückschlagventil 15 und ein Druckregler 16 angeordnet. Durch die hohen Verdichtungsverhältnisse bei Dieselmotoren werden Verdichtungsenddrücke in der Größenordnung von 50 bar erreicht. Dadurch ist es möglich, mit den oben beschriebenen Verfahren den Hochdruckbehälter 14 über das elektromagnetische Ventil 4 mit im Verdichtungstakt erzeugter Druckluft zu befüllen. Die Lufteinblasung in die Zylinder erfolgt ebenfalls aus dem Hochdruckbehälter 14. Über das Druckregelventil 16 oder andere ansteuerbare Ventile erfolgt eine Befüllung des normalen Druckluftbehälters 1 aus dem Hochdruckbehälter 14.

[0042] Die Anordnung aus Figur 3 mit zweistufigem Druckluftsystem hat die folgenden Vorteile: Das Druckluftsystem 1 für die Bremsen kann kleiner ausgeführt werden, weil im Hochdrucksystem 14 gespeicherte Luft als Reserve bereitsteht. Bei gleichem Volumen kann im Hochdrucksystem 14 eine höhere Masse Druckluft gespeichert werden. Ferner kann bei gleichem Volumen insgesamt eine größere Masse an Druckluft gespeichert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die elektromagnetischen Ventile 4 mit einem kleineren effektiven Querschnitt ausgeführt sein können, weil die Luft aus dem Hochdrucksystem 14 eine höhere Dichte aufweist und weil mehr Zeit für die Lufteinblasung während der Verdichtungsphase zur Verfügung steht. Ventile 4 mit kleinerem effektivem Querschnitt können zudem kleiner ausgeführt werden und benötigen damit auch weniger Einbauraum im Zylinderkopf 13. Schließlich ist ein Vorteil, dass die zu bewegenden Massen bei kleinerem effektivem Querschnitt geringer sind. Daher ist auch die technische Umsetzung einfacher zu realisieren und führt zu reduzierten Kosten.

[0043] Vorstehend wurden bereits vorteilhafte Betriebsverfahren beschrieben, die mit der erfindungsgemäßen Anordnung eines elektromagnetischen Ventils 4 an einem Zylinderkopf 3 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine realisiert werden können. Diese werden nachfolgend anhand der Diesel-Brennkraftmaschine der Figur 1 nochmals beispielhaft erläutert.

[0044] Eine erste Betriebsart umfasst die Zusatzeinblasung von Luft, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen aus dem Leerlauf oder der niederen Teillast, wenn die Abgasturboaufladung keinen ausreichenden Ladedruck für die Befüllung der Zylinder mit Luft zur Verfügung stellt.

[0045] Wenn die Steuereinheit des elektromagnetischen Ventil beispielsweise in Abhängigkeit der Motordrehzahl und des erfassten Ladedrucks feststellt, dass keine ausreichende Befüllung der Zylinder über die Einlassventile 5 erfolgt, aktiviert die Steuereinheit den Betrieb der elektromagnetischen Ventile 4 der Zylinder und ermittelt den Öffnungsbeginn und das Öffnungs-ende der Ventile innerhalb des Viertaktprozesses.

[0046] Zur Zusatzlufteinblasung werden die elektromagnetische Ventile 4 so von der Steuereinheit angesteuert, dass in einem Bereich des Schließens der Einlassventile das elektromagnetische Ventil in eine Öffnungsstellung gebracht wird, um zusätzlich Druckluft, die von dem Druckluftspeicher 1 bereitgestellt wird, in den Brennraum 13 über das elektromagnetische Ventil 4 einzubringen. Das elektromagnetische Ventil 4 wird wieder in eine Schließstellung gebracht, wenn oder bevor der durch die Kompression im Verdichtungstakt erhöhte Druck im Zylinder den Luftdruck im Druckluftbehälter 1 übersteigt.

[0047] Die Füllung der Zylinder mit Luft hängt in erster Linie vom momentanen Ladedruck ab. Daher kann die einzublasende Zusatzluft über die elektromagnetischen Ventile 4 abhängig vom steigenden Ladedruck stetig vermindert werden. Hat der Ladedruck den benötigten Wert erreicht, wird die Zusatzlufteinblasung abgeschaltet.

[0048] Durch die erste Betriebsart kann ein permanent hoher Luftüberschuss aufrecht erhalten werden, um die Stickstoffoxid- und Partikelemission zu reduzieren.

[0049] Eine zweite Betriebsart kann zur Drucklufterzeugung verwendet werden.

[0050] Durch Ansteuern des elektromagnetischen Ventils 4 derart, dass dies öffnet, wenn der Gasdruck im Brennraum höher als der Luftdruck im Druckluftbehälter 1 ist, strömt komprimierte Luft aus dem Brennraum 13 über das elektromagnetische Ventil 4 aus und in das Druckluftsystem des Druckluftbehälters 1. Der Verdichtungstakt des Zylinders wird folglich für die Erzeugung von Druckluft genutzt, die über das elektromagnetische Ventil aus dem Brennraum 13 ausgeleitet wird. Eine derartige Drucklufterzeugung erfolgt vorzugsweise in Betriebszuständen, bei denen nicht die volle Motorleistung bzw. das volle Motordrehmoment benötigt wird. Hierbei wird bei einem oder mehreren Zylindern die Einspritzung des Kraftstoffs abgeschaltet, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Nach der Verdichtung der im Zylinder befindlichen Luft wird vor dem oberen Totpunkt das Magnetventil 4 geöffnet. Durch den höheren Druck im Zylinder wird der Druckluftspeicher 1 befüllt. Wenn der Zylinderdruck durch die Dekompression während der Abwärtsbewegung des Kolbens 7 unter den Druck des Druckluftbehälters 1 fällt, wird das elektromagnetische Ventil 4 wieder geschlossen.

[0051] Eine dritte Betriebsart kann zur Bremsenergierückgewinnung eingesetzt werden. Hierbei werden Schubphasen ohne Kraftstoffeinspritzung zur Drucklufterzeugung gemäß der zweiten Betriebsart genutzt. Daraus ergibt sich eine Effizienzsteigerung des Systems, da Bremsenergie zur Drucklufterzeugung verwendet wird.

[0052] Eine vierte Betriebsart kann zur Bremsunterstützung genutzt werden. Ein weiterer Vorzug der Erfindung besteht darin, dass im Schubbetrieb, ohne Dieseleinspritzung, der Ventilbetrieb der elektromagnetischen Ventile 4 so eingerichtet werden kann, dass die Bremswirkung des Motors erhöht wird. Zunächst ist festzustellen, dass sich allein durch die Drucklufterzeugung eine Bremswirkung ergibt, da eine Umwandlung von kinetischer Energie resultierend aus der Fahrzeugbewegung in ein erhöhtes Druckniveau im Druckspeichersystem erfolgt. Eine höhere Bremswirkung lässt sich ferner erzeugen, wenn zu Beginn des Verdichtungstakts, unmittelbar nach Schließen des Einlassventils 5, der Injektor 4 geöffnet und dadurch zusätzliche Luft in den Brennraum 13 eingebracht wird. Spätestens wenn der Druck im Zylinder bzw. Brennraum 13 und im Druckluftsystem des Druckluftbehälters 1 ausgeglichen ist, wird der Injektor 4 wieder geschlossen. Durch die erhöhte Zylinderfüllung wird während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 7 eine erhöhte Verdichtungsarbeit verrichtet, die auf die Kurbelwelle (nicht gezeigt) bremsend wirkt. Um zu verhindern, dass in der Luft gespeicherte Energie in der Abwärtsbewegung beschleunigend auf die Kurbelwelle wirkt, wird der Injektor 4 im oberen Totpunkt des Kolbens 7 wieder geöffnet. Die zu Beginn des Vorgangs eingeblasene Luft wird in das Druckluftsystem 1 zurückbefördert. Hierbei kann das Verfahren so ausgebildet werden, dass mehr Luft in das Druckluftsystem 1 zurückbefördert wird als entnommen wurde, wodurch auch diese Betriebsweise zur Befüllung des Druckluftsystems 1 dienen kann. Es ergibt sich somit eine Effizienzsteigerung der Brennkraftmaschine, da Bremsenergie zur Drucklufterzeugung genutzt wird.

[0053] Im Rahmen der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, das in Figur 1 gezeigte System durch entsprechende Dimensionierung der Druckluftspeicher und der Betriebsarten, in denen Druckluft erzeugt wird, so auszulegen, dass dadurch der Druckluftbedarf des Fahrzeugs gedeckt wird und so auf den bei Nutzfahrzeugen üblicherweise verbauten Luftpresser zur Drucklufterzeugung vollständig verzichtet werden kann.

[0054] Eine fünfte Betriebsart des Magnetventils 4 sieht vor, die Luftmenge für die Verbrennung zu reduzieren. Hierbei wird mit Hilfe des Magnetventils 4 ein Teil der nach dem Ladungswechsel im Zylinder befindlichen Luft vor der Zündung des Gemischs aus dem Brennraum 13 entnommen. Dadurch kann die Abgastemperatur gezielt erhöht werden, um beispielsweise eine frühere Aktivität des Abgasnachbehandlungssystems nach dem Motorstart zu ermöglichen. Auch im Leerlauf und Schwachlastbereich kann mit dieser Maßnahme die Wirksamkeit des Abgasnachbehandlungssystems gesteigert werden. Ein besonderer Vorzug dieser Betriebsart liegt darin, dass im Gegensatz zur Reduzierung der Luftmenge durch Drosselung der Ansaugluft dabei keine Wirkungsgradverschlechterungen durch Drosselverluste in Kauf genommen werden müssen.

[0055] Ferner besteht die Möglichkeit, die vorgenannte Betriebsart durch Verwendung einer Lambdasonde auch in einem geschlossenen Regelkreis gemäß einer fünften Betriebsart durchzuführen. Hierbei wird, analog der Lambda-Regelung bei Ottomotoren, durch Regelung der in den Brennraum eingebrachten Luft über das Magnetventil 4 ein vorgegebenes Luftkraftstoffverhältnis in Brennraum 13 eingeregelt. Ein derartiges Regelverfahren ist aus dem Stand der Technik für den Betrieb von Ottomotoren bekannt und kann mit entsprechendem Betrieb des elektromagnetischen Ventils 4 auch für einen Dieselmotor umgesetzt werden.

[0056] Die vorgenannten verschiedenen Betriebsarten der Brennkraftmaschinen unter Steuerung des elektromagnetischen Ventils 4 sind besonders vorteilhaft für den Betrieb eines Dieselmotors, wie in Figur 1 schematisch dargestellt.

[0057] Die vorgenannten Betriebsverfahren lassen sich jedoch auch mit Einschränkungen und Abwandlungen auf einen Ottomotor, wie in Figur 2 skizziert, anwenden.

[0058] In analoger Betriebsweise zum Dieselmotor kann das elektromagnetische Ventil 4 gemäß der ersten Betriebsart so betrieben werden, wobei über das elektromagnetische Ventil 4 zusätzlich Druckluft in den Brennraum 13 eingebracht wird, um eine zusätzliche Möglichkeit vorzusehen, das Luftkraftstoffverhältnis im Brennraum 13 zu beeinflussen.

[0059] Wenn, wie in Figur 2, gezeigt, ein zusätzliches Rückschlagventil 14 vorgesehen ist, um zu verhindern, dass ein brennfähiges Gemisch aus dem Brennraum 13 in das Druckluftsystem gelangt, sind die vorstehend genannten Betriebsarten, bei denen durch den Kolben 7 komprimierte Luft aus dem Brennraum 13 über das elektromagnetische Ventil 4 entnommen wird, nicht möglich. Diese Einschränkung gilt unabhängig von der Art der Gemischbildung. Sowohl bei der klassischen äußeren Gemischbildung als auch bei der direkten Einspritzung in den Brennraum liegt während der Verdichtung zumindest zeitweise zündfähiges Kraftstöffluftgemisch im Zylinder vor.

[0060] Wird jedoch anstelle des Rückschlagventils 14 ein anderes Überwachungsmittel in den Druckluftleitungen 2a, 2b vorgesehen, beispielsweise durch entsprechende Sensorik und/oder Abschaltventile in den Leitungen, besteht auch bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung die Möglichkeit, das elektromagnetische Ventil 4 in den vorgenannten dritten und vierten Betriebsarten zur Bremsenergierückgewinnung und zur Bremsunterstützung zu betreiben.

[0061] Ferner kann die vorgenannte fünfte Betriebsart zur Reduzierung der Luftmenge für die Verbrennung ebenfalls zur Kraftstoffersparnis eingesetzt werden. Die Drosselklappe bleibt hierbei auch im Teillastbereich weitgehend geöffnet. Dadurch werden die Drosselverluste reduziert. Ein Teil der im Zylinder befindlichen Luft wird über das elektromagnetische Luftventil 4 abgeblasen. Wenn die im Zylinder befindliche Luftmasse der Lastanforderung entspricht, wird das Luftventil 4 geschlossen, und die Verdichtung beginnt.

[0062] Hierbei ist die Effektivität umso höher, je später die Kraftstoffeinspritzung einsetzt, denn bis zu diesem Zeitpunkt ist es erforderlich, dass das Luftventil 4 geschlossen ist. Je mehr Zeit zur Ablassung der Luft zur Verfügung steht, desto mehr Luft kann über das elektromagnetische Ventil 4 abgelassen werden und umso weiter kann die Drosselklappe geöffnet sein, wodurch die Drosselverluste minimiert werden.

[0063] Die vorgenannte Betriebsart für Dieselmotoren, bei denen im Betriebszustand, bei dem nicht die volle Motorleistung bzw. das volle Motordrehmoment benötigt und ein oder mehrere Zylinder unter abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung betrieben werden, ist bei einer Vorgabe einer Lambda=1-Regelung nicht mit einem Ottomotor realisierbar, kann aber bei einem mager betriebenen Motor umgesetzt werden.

[0064] Alle Betriebsarten stellen hohe Anforderungen an die Steuerung des Motors, insbesondere im Lambda=1-Betrieb. Üblicherweise wird ein moderner Ottomotor mit einer vorgesteuerten Kraftstoffeinspritzung, die einer schnellen Lambda-Regelung überlagert ist, betrieben. Zur Kraftstoffsteuerung wird die Luftmasse durch Luftmassenmesser erfasst oder aus dem Druck vor dem Einlasskanal berechnet. Aus der Luftmasse wird die zur stöchiometrischen Verbrennung notwendige Kraftstoffmasse berechnet. Weder der Luftmassensensor noch der Drucksensor können die durch die Luftventile zusätzlich eingebrachte bzw. abgeblasene Luft erfassen. Diese Luftmasse wird daher in dieser Betriebsvariante durch die Motorsteuerung sehr genau berechnet.

[0065] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.

Bezugszeichenliste

[0066] 

1

Druckluftbehälter 12 bar

2a, 2b, 2c

Druckluftleitung

3

Zylinderkopf

4

elektromagnetisches Ventil

5

Einlassventil

7

Auslassventil

8

Pleuel

9

Absperrventil

10

Luftverteiler-Rail

11

Dieselinjektor

12

Zündkerze

13

Brennraum

14

Druckluftbehälter 30 bar

15

Rückschlagventil

16

Druckregler

17

Druck - und Temperaturmessfühler

Ansprüche

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit mindestens einem am Zylinderkopf (3) angeordneten Lufteinlassventil (5) und mindestens einem am Zylinderkopf angeordneten Luftauslassventil (6); und einem am Zylinderkopf (3) angeordneten elektromagnetischen Ventil (4) zur Lufteinbringung in den Brennraum (13) und/oder zur Luftausbringung aus dem Brennraum (13), wobei das elektromagnetische Ventil (4) in einer geöffneten Stellung den Brennraum (13) und einen Druckluftspeicher (1) über eine Druckluftleitung (2) pneumatisch koppelt,
wobei der Druckluftspeicher eingerichtet ist, eine Druckluftbremse eines Fahrzeugs zu speisen, und
wobei das elektromagnetische Ventil (4) mittels einer Steuereinheit in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur des Druckluftsystems, einer Kolbenstellung, einer Lastanforderung, einer Motordrehzahl und/oder eines Ladedrucks im Zylinder steuerbar ist, und die Steuereinheit ausgeführt ist, in Betriebszuständen, bei denen nicht das volle Motordrehmoment benötigt wird, bei wenigstens einem Zylinder mit abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung das elektromagnetische Ventil (4) in der Aufwärtsbewegung des Kolben (7) zu öffnen und im Bereich des oberen Totpunkts wieder zu schließen, um komprimierte Luft aus dem Brennraum (13) zu entnehmen und dem Druckluftspeicher (1) zuzuführen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit ferner ausgeführt ist, im Verdichtungstakt eines Schubbetriebs unmittelbar nach Schließen des Einlassventils (5) das elektromagnetische Ventil (4) zur Zusatzlufteinblasung von Druckluft zu öffnen und, spätestens wenn der Gasdruck im Zylinder einen Luftdruck im Druckluftspeicher (1) erreicht, wieder zu schließen.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein effektiver Querschnitt des elektromagnetischen Ventils (4) im Bereich von 5 bis 20 mm², weiter vorzugsweise im Bereich von 10 bis 15 mm², liegt.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet

(a) dass die Steuereinheit das Motorsteuergerät ist; oder

(b) dass die Hubkolben-Brennkraftmaschine als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist und dass die Steuereinheit die Steuereinheit für das Common-Rail-Einspritzsystem ist.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

(a) dass die Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader umfasst; und/oder

(b) dass das wenigstens eine Lufteinlassventil (5) und das Luftauslassventil (6) Als Tellerventile ausgebildet sind; und/oder

(c) dass die Hubkolben-Brennkraftmaschine eine selbstzündende Brennkraftmaschine oder ein Ottomotor ist.

5. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug mit einer Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Nutzfahrzeug mit einer Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein erstes Druckluftsystem mit einem ersten Druckluftspeicher (17) zur Versorgung der Bremsen mit Druckluft und ein zweites Druckluftsystem mit einem zweiten Druckluftspeicher (1), wobei der zweite Druckluftspeicher (1) mit einem höherem Druck als der erste Druckluftspeicher (17) betreibbar ist und mit dem Brennraum über das elektromagnetische Ventil (4) pneumatisch koppelbar ist, wobei der zweite Druckspeicher (1) ausgebildet ist, den ersten Druckluftspeicher (17) mit Druckluft zu befüllen.

7. Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

(a) dass Druckluft aus dem Druckluftspeicher (1) über das elektromagnetische Ventil (4) in den Brennraum (13) eingebracht wird, zusätzlich zur Ladeluft, die über das wenigstens eine Einlassventil (5) in den Brennraum (13) eingebracht wird, und/oder

(b) dass komprimierte Luft über das elektromagnetische Ventil aus dem Brennraum (13) entnommen und dem Druckluftspeicher (1) zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlufteinblasung von Druckluft über das elektromagnetische Ventil (4) im Bereich des Schließens des wenigstens einen Einlassventils (5) beginnt und spätestens endet, wenn ein Gasdruck im Brennraum (13) einen Luftdruck im Druckluftspeicher (3) erreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Betriebszuständen, bei denen nicht das volle Motordrehmoment benötigt wird, bei wenigstens einem Zylinder mit abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung das elektromagnetische Ventil (4) in der Aufwärtsbewegung des Kolben (7) geöffnet und im Bereich des oberen Totpunkts wieder geschlossen wird, um komprimierte Luft aus dem Brennraum (13) zu entnehmen und dem Druckluftspeicher (1) zuzuführen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtungstakt eines Schubbetriebs unmittelbar nach Schließen des Einlassventils (5) das elektromagnetische Ventil (4) zur Zusatzlufteinblasung von Druckluft geöffnet wird und, spätestens wenn der Gasdruck im Zylinder einen Luftdruck im Druckluftspeicher (1) erreicht, wieder geschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Ladungswechsel und vor der Verbrennung über das elektromagnetische Ventil (4) im Zylinder befindliche Luft aus dem Brennraum (13) zumindest teilweise entnommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) die Hubkolben-Brennkraftmaschine eine selbstzündende Hubkolben Brennkraftmaschine ist; und

(b) dass die Luftentnahme über das elektromagnetische Ventil (4) als Stellglied in einem geschlossenen Lambda-Regelkreis erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerparameter betreffend einen Öffnungsbeginn des elektromagnetischen Ventils (4), ein Öffnungsende des elektromagnetischen Ventils (4) und eine Entscheidung, ob eine Betätigung des elektromagnetischen Ventils (4) erfolgt, in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur in einem den Druckluftspeicher (1) enthaltenden Druckluftsystem, einer Kolbenstellung, einer Lastanforderung, einer Motordrehzahl und/oder eines Ladedrucks im Zylinder und/ oder Ansaugkrümmer bestimmt werden.

Claims

1. Reciprocating-piston internal combustion engine, having at least one air inlet valve (5), which is arranged on the cylinder head (3), and at least one air outlet valve (6), which is arranged on the cylinder head; and an electromagnetic valve (4) for introducing air into the combustion chamber (13) and/or for discharging air from the combustion chamber (13), which valve is arranged on the cylinder head (3),
wherein the electromagnetic valve (4) pneumatically couples the combustion chamber (13) and a compressed air accumulator (1) via a compressed air line (2) in an open position,
wherein the compressed air accumulator is set up to supply a compressed air brake of a vehicle, and wherein the electromagnetic valve (4) can be controlled by means of a control unit in accordance with a pressure and/or a temperature of the compressed air system, a piston position, a load demand, an engine speed and/or a charging pressure in the cylinder, and the control unit is designed so as, in operating states in which the full engine torque is not required, to open the electromagnetic valve (4) during the upward movement of the piston (7) and to close said electromagnetic valve again in the region of the top dead centre in the case of at least one cylinder with deactivated fuel injection in order to take compressed air from the combustion chamber (13) and feed it to the compressed air accumulator (1),
characterized
in that the control unit is furthermore designed, to open the electromagnetic valve (4) immediately after the closure of the inlet valve (5) during the compression stroke of an overrun mode in order to inject additional compressed air, and to close it again at the latest when the gas pressure in the cylinder reaches an air pressure in the compressed air accumulator (1).

2. Reciprocating-piston internal combustion engine according to Claim 1, characterized in that an effective cross section of the electromagnetic valve (4) is in a range of from 5 to 20 mm², more preferably in a range of from 10 to 15 mm².

3. Reciprocating-piston internal combustion engine according to Claim 1 or 2, characterized

(a) in that the control unit is the engine control unit; or

(b) in that the reciprocating-piston internal combustion engine is designed as a common rail injection system and in that the control unit is the control unit for the common rail injection system.

4. Reciprocating-piston internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized

(a) in that the reciprocating-piston internal combustion engine comprises an exhaust turbocharger; and/or

(b) in that the at least one air inlet valve (5) and the air outlet valve (6) are designed as poppet valves; and/or

(c) in that the reciprocating-piston internal combustion engine is a self-ignition internal combustion engine or a spark-ignition engine.

5. Motor vehicle, in particular commercial vehicle, having a reciprocating-piston internal combustion engine according to one of Claims 1 to 4.

6. Commercial vehicle having a reciprocating-piston internal combustion engine according to one of Claims 1 to 4, characterized by a first compressed air system having a first compressed air accumulator (17) for supplying the brakes with compressed air and a second compressed air system having a second compressed air accumulator (1), wherein the second compressed air accumulator (1) can be operated at a higher pressure than the first compressed air accumulator (17) and can be pneumatically coupled to the combustion chamber via the electromagnetic valve (4), wherein the second pressure accumulator (1) is designed to fill the first compressed air accumulator (17) with compressed air.

7. Method for operating a reciprocating-piston internal combustion engine according to one of Claims 1 to 4, characterized

(a) in that compressed air from the compressed air accumulator (1) is introduced into the combustion chamber (13) via the electromagnetic valve (4) in addition to the charge air which is introduced into the combustion chamber (13) via the at least one inlet valve (5), and/or

(b) in that compressed air is removed from the combustion chamber (13) via the electromagnetic valve and fed to the compressed air accumulator (1) .

8. Method according to Claim 7, characterized in that the injection of additional compressed air via the electromagnetic valve (4) begins in the range of closure of the at least one inlet valve (5) and ends at the latest when a gas pressure in the combustion chamber (13) reaches an air pressure in the compressed air accumulator (3).

9. Method according to Claim 8, characterized in that, in operating states in which the full engine torque is not required, the electromagnetic valve (4) is opened during the upward movement of the piston (7) and closed again in the region of top dead centre in the case of at least one cylinder with deactivated fuel injection in order to take compressed air from the combustion chamber (13) and feed it to the compressed air accumulator (1).

10. Method according to Claim 9, characterized in that the electromagnetic valve (4) is opened immediately after the closure of the inlet valve (5) during the compression stroke of an overrun mode in order to inject additional compressed air, and is closed again at the latest when the gas pressure in the cylinder reaches an air pressure in the compressed air accumulator (1).

11. Method according to Claim 8, characterized in that air in the cylinder is removed at least partially from the combustion chamber (13) via the electromagnetic valve (4) after a charge exchange and before combustion.

12. Method according to Claim 11, characterized

(a) in that the reciprocating-piston internal combustion engine is a self-ignition reciprocating-piston internal combustion engine; and

(b) in that air removal takes place via the electromagnetic valve (4) as a control element in a closed lambda control loop.

13. Method according to one of preceding Claims 7 to 12, characterized in that control parameters relating to a beginning of opening of the electromagnetic valve (4), an end of opening of the electromagnetic valve (4) and a decision whether actuation of the electromagnetic valve (4) takes place are determined in accordance with a pressure and/or a temperature in a compressed air system containing the compressed air accumulator (1), a piston position, a load demand, an engine speed and/or a charging pressure in the cylinder and/or intake manifold.

Revendications

1. Moteur à combustion interne à piston alternatif, avec au moins une soupape d'admission d'air (5) disposée sur la culasse (3) et au moins une soupape d'échappement d'air (6) disposée sur la culasse; et une soupape électromagnétique (4) disposée sur la culasse (3) pour l'introduction d'air dans la chambre de combustion (13) et/ou pour l'évacuation d'air hors de la chambre de combustion (13),
dans lequel la soupape électromagnétique (4) connecte pneumatiquement dans une position ouverte la chambre de combustion (13) et un réservoir d'air comprimé (1) au moyen d'une conduite d'air comprimé (2),
dans lequel le réservoir d'air comprimé est conçu pour alimenter un frein à air comprimé d'un véhicule, et dans lequel la soupape électromagnétique (4) peut être commandée au moyen d'une unité de commande en fonction d'une pression et/ou d'une température du système d'air comprimé, d'une position du piston, d'une demande de charge, d'un nombre de tours du moteur et/ou d'une pression de charge dans le cylindre, et l'unité de commande est réalisée pour, dans des états de fonctionnement dans lesquels on n'a pas besoin du couple moteur total, ouvrir dans au moins un cylindre avec l'injection de carburant interrompue la soupape électromagnétique (4) dans le mouvement ascendant du piston (7) et pour la fermer de nouveau dans la région du point mort haut, afin de prélever de l'air comprimé de la chambre de combustion (13) et de l'envoyer au réservoir d'air comprimé (1),
caractérisé en ce que l'unité de commande est en outre réalisée pour ouvrir la soupape électromagnétique, dans la phase de compression d'un fonctionnement de poussée immédiatement après la fermeture de la soupape d'admission (5), pour l'insufflation d'air comprimé en tant qu'air supplémentaire, et pour la fermer de nouveau au plus tard lorsque la pression de gaz dans le cylindre atteint une pression d'air dans le réservoir d' air comprimé (1).

2. Moteur à combustion interne à piston alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une section transversale effective de la soupape électromagnétique (4) se situe dans une plage de 5 à 20 mm², de préférence encore dans une plage de 10 à 15 mm².

3. Moteur à combustion interne à piston alternatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que

(a) l'unité de commande est l'appareil de commande du moteur; ou

(b) le moteur à combustion interne à piston alternatif est réalisé sous la forme d'un système d'injection à rampe commune et en ce que l'unité de commande est l'unité de commande pour le système d'injection à rampe commune.

4. Moteur à combustion interne à piston alternatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que

(a) le moteur à combustion interne à piston alternatif comprend un turbocompresseur à gaz d'échappement; et/ou

(b) ladite au moins une soupape d'admission d'air (5) et la soupape d'échappement d'air (6) sont réalisées sous forme de soupapes en champignon; et/ou

(c) le moteur à combustion interne à piston alternatif est un moteur à combustion interne à autoallumage ou un moteur Otto.

5. Véhicule automobile, en particulier véhicule utilitaire avec un moteur à combustion interne à piston alternatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.

6. Véhicule utilitaire avec un moteur à combustion interne à piston alternatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par un premier système d'air comprimé avec un premier réservoir d'air comprimé (17) pour l'alimentation des freins en air comprimé et un deuxième système d'air comprimé avec un deuxième réservoir d'air comprimé (1), dans lequel le deuxième réservoir d'air comprimé (1) peut fonctionner avec une pression plus élevée que le premier réservoir d'air comprimé (17) et peut être couplé pneumatiquement à la chambre de combustion par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique (4), dans lequel le deuxième réservoir d'air comprimé (1) est conçu pour remplir d'air comprimé le premier réservoir d'air comprimé (17) .

7. Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à piston alternatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que

(a) on introduit de l'air comprimé provenant du réservoir d'air comprimé (1) par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique (4) dans la chambre de combustion (13), en plus de l'air d'admission, qui est introduit dans la chambre de combustion (13) par ladite au moins une soupape d'admission (5), et/ou

(b) on prélève de l'air comprimé hors de la chambre de combustion (13) par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique et on l'envoie au réservoir d'air comprimé (1).

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'insufflation d'air comprimé en tant qu'air supplémentaire par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique (4) commence dans la région de la fermeture de ladite au moins une soupape d'admission (5) et se termine au plus tard lorsqu'une pression de gaz dans la chambre de combustion (13) atteint une pression d'air dans le réservoir d'air comprimé (3).

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans des états de fonctionnement, dans lesquels on n'a pas besoin du couple moteur total, on ouvre dans au moins un cylindre avec l'injection de carburant interrompue la soupape électromagnétique (4) dans le mouvement ascendant du piston (7) et on la ferme de nouveau dans la région du point mort haut, afin de prélever de l'air comprimé hors de la chambre de combustion (13) et de l'envoyer au réservoir d'air comprimé (1).

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on ouvre la soupape électromagnétique (4) pour l'insufflation d'air comprimé en tant qu'air supplémentaire dans la phase de compression du fonctionnement de poussée immédiatement après la fermeture de la soupape d'admission (5) et on la ferme de nouveau au plus tard lorsque la pression de gaz dans le cylindre atteint une pression d'air dans le réservoir d'air comprimé (1).

11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on prélève au moins en partie hors de la chambre de combustion (13) par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique (4) de l'air se trouvant dans le cylindre après un changement de charge et avant la combustion.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que

(a) le moteur à combustion interne à piston alternatif est un moteur à combustion interne à piston alternatif à autoallumage; et

(b) on effectue le prélèvement d'air par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique (4) en tant qu'organe de réglage dans un circuit fermé de régulation du lambda.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que l'on détermine des paramètres de commande concernant un commencement d'ouverture de la soupape électromagnétique (4), une fin d'ouverture de la soupape électromagnétique (4) et une décision quant à savoir s'il se produit un actionnement de la soupape électromagnétique (4), en fonction d'une pression et/ou d'une température dans un système d'air comprimé contenant le réservoir d'air comprimé (1), d'une position du piston, d'une demande de charge, d'un nombre de tours du moteur et/ou d'une pression de charge dans le cylindre et/ou le collecteur d'admission.

Zeichnung