AT414010B

AT414010B - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT414010B
Application number: AT0037004A
Authority: AT
Inventors: Josef Dr Wolkerstorfer; Dirk Dipl Ing Denger
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2006-08-15
Also published as: ATA3702004A

Description

2

AT 414 010 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit vorzugsweise elektrohydraulischem, vollvariablem Ventiltrieb, wobei zumindest im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels zumindest ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil diskontinuierlich geöffnet oder geschlossen wird und wobei das Einlassventil und/oder das Auslassven-5 til in zumindest zwei Stufen geöffnet und/oder geschlossen wird, wobei zwischen den Stufen der Ventilhub im Wesentlichen konstant gehalten wird.

Die Steuerung der Gaswechselventile durch Nockenwellen erlaubt nur im begrenzten Umfang Steuerzeiten und/oder Hub der Gaswechselventile entsprechend den Betriebsbedingungen der io Brennkraftmaschine einzustellen. Bei nockenwellenlosen variablen Ventilsteuereinrichtungen können sowohl der Hub der Gaswechselventile, als auch dessen Steuerzeit prinzipiell frei eingestellt werden. Dadurch kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, deren spezifischer Kraftstoffverbrauch und deren Emissionen verbessert werden. Elektrohydraulische Ventilsteuerungseinrichtungen zur Realisierung einer vollvariablen Ventilbetätigung sind aus der 15 DE 101 27 205 A1 und der DE 101 34 644 A1 bekannt. Im Vergleich zu variabler mechanischer oder variabler elektromagnetischer Ventilsteuerung bietet die variable elektrohydraulische Ventilsteuerung Vorteile hinsichtlich der Ladungsbewegungen und der Pumpverluste.

Bei Brennkraftmaschinen werden im oberen Totpunkt des Ladungswechsels die Auslassventile 20 geschlossen und die Einlassventile geöffnet. Dadurch verbleibt stets eine gewisse Restgasmenge im Brennraum, was - insbesondere im Volllastbetrieb - nicht immer erwünscht ist. Um diese Restgasmenge zu minimieren, wird Frischluft durch den Brennraum gespült. Diese Frischluftspülung ist unter anderem von der Ventilhubhöhe im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels abhängig. Bei konventionellen nockenbetätigten Ventiltrieben wird die Ventil-25 hubhöhe der Ein- und Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels durch die zu vermeidende Kollision zwischen Kolben und Gaswechselventilen beschränkt. Diese maximale Ventilhubhöhe, sowie die nockenbedingte Form der Ventilhubkurven bestimmen bei konventionellen Brennkraftmaschinen die maximale Frischluftspülung im Bereich des Ladungswechsels. Durch in den Kolben eingeformte Ventiltaschen kann zwar die Ventilhubhö-30 he im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels gesteigert und damit die Frischluftspülung verbessert werden, allerdings wirken sich derartige Einformungen in der Kolbenoberfläche mitunter nachteilig auf die Verbrennung aus.

Die WO 92/14919 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit 35 vollvariablem Ventiltrieb, wobei Ein- und Auslassventile diskontinuierlich geöffnet bzw. geschlossen werden können. Auch die EP 1 065 349 A2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit diskontinuierlichen Hubwegverlauf des Einlassventils.

Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit vollvariablem Ventiltrieb besteht die Gefahr der 40 Kollision zwischen Ein- und Auslassventile und dem Kolben, was zu schweren Motorschäden führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zur vermeiden und Verbrauch, sowie Emissionen insbesondere im Volllastbereich zu verbessern und Motorschäden zu vermeiden. 45

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einlassventile und/oder Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels in gleicher Richtung wie der Kolben, vorzugsweise synchron mit diesem, bewegt werden. Dadurch, dass der Ventilhub der Bewegung des Kolbens folgt, kann das Einlassventil oder das Auslassventil quasi unter dem Kolben so unter Einhaltung eines relativ großen Sicherheitsabstandes "durchtauchen". Dadurch kann die Verbrennung in allen Lastbereichen Verbrauchs-, emissions- und/oder lastoptimiert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Auslassventil und/oder das Einlassventil in zumindest zwei Stufen geöffnet und/oder geschlossen wird, wobei zwischen den Stufen der Ventilhub im 55 Wesentlichen konstant gehalten wird. Zwischen den Stufen ist im Ventilhubdiagramm eine im 3

AT 414 010 B

Wesentlichen ebene Rampe ausgebildet, bei der das Ein- oder Auslassventil seinen Ventilhub nicht verändert.

Besonders vorteilhaft ist es dass die erste Öffnungsstellung des Einlassventils und/oder die 5 dritte Öffnungsstellung des Auslassventils so bemessen ist, dass im oberen Totpunkt des Kolbens während des Ladungswechsels ein vordefinierter Mindestabstand zwischen Kolben und den geöffneten Einlass- oder Auslassventilen von vorzugsweise mindestens 0,8 mm verbleibt.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einlassventil io vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels bis zu einer ersten Öffnungsstellung und nach dem oberen Totpunkt weiter bis zu einer zweiten Öffnungsstellung geöffnet wird, wobei im Bereich des oberen Totpunktes der Ventilhub in der ersten Öffnungsstellung konstant gehalten wird, wobei vorzugsweise der Ventilhub des Einlassventils aus der zweiten Öffnungsstellung in eine dritte Öffnungsstellung reduziert wird, und wobei der Ventilhub der dritten Öffnungsstellung 15 vor dem endgültigen Schließen des Einlassventils für eine vordefinierte Dauer konstant gehalten wird. Bei der Arbeitsbewegung des Kolbens nach dem oberen Totpunkt werden die Einlassventile nochmals angesteuert, was eine weitere Ventilanhebung von der ersten in die zweite Öffnungsstellung zu Folge hat, wodurch die Einströmung zur Zylinderfüllung optimiert wird. 20 Weiters kann vorgesehen sein, dass das Auslassventil zu Beginn des Auslasstaktes in eine erste Öffnungsstellung geöffnet wird, wobei der Ventilhub der ersten Öffnungsstellung für eine vordefinierte Dauer konstant gehalten und danach weiter in eine zweite Öffnungsstellung erweitert wird, wobei vorzugsweise der Ventilhub des Auslassventils unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels von der zweiten Öffnungsstellung in eine dritte Öffnungsstel-25 lung reduziert wird, und wobei der Ventilhub in der dritten Öffnungsstellung für eine vordefinierte Dauer konstant gehalten wird. Um hohe Spüleffekte zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Auslassventil im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels, vorzugsweise unmittelbar nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels aus der zweiten Öffnungsstellung geschlossen wird. 30

Mittels des elektrohydraulischen Ventiltriebes kann der Einlassventilhub auf einen für die Kollisionsform unkritischen Hubwert vorgesteuert werden. Dies verbessert das Spülverhalten, wobei kontrollierte interne Restgasrückführung möglich ist. 35 Somit kann ein optimale Frischluftspülung im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels erreicht werden, wobei auf Ventiltaschen im Kolben verzichtet oder zumindest die Tiefe von Ventiltaschen im Kolben wesentlich verringert werden kann. Einerseits kann zur Realisierung einer internen Restgassteuerung im Teillastbereich die Überschneidungsfläche der Hubkurven im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels optimiert und andererseits 40 das Spülverhalten bei Volllast wesentlich verbessert werden. Durch den optimal gestalteten Einlasshub während der Ansaugphase können Ladungswechselverluste wesentlich reduziert und somit das Volllastpotential deutlich angehoben werden.

Durch die gesteppte Ventilerhebung von Auslass- und Einlassventilen können vereinfachte 45 Kollisionsmodelle zur Anwendung kommen.

Vorteile der beschriebenen Maßnahmen sind niedrigerer Verbrauch, eine Absenkung der Emissionen, sowie ein besseres Volllastverhalten und Kollisionsschutz in Bezug auf den Kolben. so Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 ein Ventilhubdiagramm für eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2 ein Ventilhubdiagramm für eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 55 4

AT 414 010 B

Die Figur 1 zeigt ein Ventilhubdiagramm, wobei der Hub h, der Einlassventile und der Hub hE der Auslassventile über dem Kurbelwinkel CA aufgetragen ist. Mit OTLw ist der obere Totpunkt des Ladungswechsels bezeichnet. 5 Im Bereich des oberen Totpunktes OTLW des Ladungswechsels werden Einlassventile und Auslassventile diskontinuierlich, also schrittweise geöffnet bzw. geschlossen. Wie aus der Hubkurve hi des Einlassventils zu ersehen ist, wird das Einlassventil in zwei Stufen hM und h!2 geöffnet, wobei zwischen den beiden Stufen ht1 und h|2 eine ebene Rampe IR1 im Bereich der ersten Öffnungsstellung h|R1 des Einlassventils ausgebildet ist, während welcher der Ventilhub io hi im Wesentlichen konstant gehalten wird. Auf die zweiten Stufe h!2 folgt eine zweite Rampe IR2 im Bereich der zweiten Öffnungsstellung h|R2 des Einlassventils, während welcher das Einlassventil für eine vordefinierte Zeitdauer t|2 auf konstantem Hub hi gehalten wird. Danach wird der Hub h, des Einlassventils in einer dritten Stufe h,3 auf eine dritte Öffnungsstellung h|R3 entsprechend der Rampe IR3 gebracht und diese dritte Öffnungsstellung h,R3 eine vordefinierte 15 Zeitdauer t,3 lang konstant gehalten. Danach wird das Einlassventil aus der dritten Öffnungsstellung in einer vierten Stufe hM geschlossen.

Auch das Auslassventil wird in mehreren Schritten geöffnet bzw. geschlossen, wobei zwischen der ersten Stufe hEi und der zweiten Stufe hE2 eine ebene Rampe ER1 im Bereich der ersten 20 Öffnungsstellung hERi des Auslassventils ausgebildet ist, bei der der Hub hE des Auslassventils eine vordefinierte Zeitdauer tE1 lang konstant gehalten wird. Nach der zweiten Stufe hE2 wird das Auslassventil in seiner zweiten Stellung hER2 entsprechend der Rampe ER2 auf maximalem Ventilhub gehalten, wobei diese Stellung eine vordefinierte Zeitdauer tE2 konstant gehalten wird. Danach wird der Ventilhub des Auslassventils in einem dritten Schritt hE3 auf eine dritte Öff-25 nungsstellung hER3 entsprechen der Rampe ER3 vermindert, wobei diese dritte Öffnungsstellung hER3 eine bestimmte Zeit tE3 lang konstant gehalten wird. Danach wird das Auslassventil beispielsweise im oberen Totpunkt OTLW des Ladungswechsels in einer vierten Stufe hE4 geschlossen. 30 Mit der Linie 1 ist der Kolbenhub angedeutet. Aus der Figur ist deutlich zu ersehen, dass sowohl Einlass- als auch Auslassventilkurve hE, hi im Bereich des oberen Totpunktes OTLW des Ladungswechsels der Kolbenhubkurve 1 im Wesentlichen folgen, wobei im Bereich des oberen Totpunktes OTLW der Ventilhub h| des Einlassventils und der Ventilhub hE des Auslassventils auf einem konstanten Wert gehalten wird, wobei ein Mindestabstand vom Kolben eingehalten 35 wird.

Dabei ist es auch möglich, dass die Einlass- und/oder Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes OTLW des Ladungswechsels in gleicher Richtung wie der Kolben, beispielsweise annähernd synchron mit diesem bewegt werden, wodurch die Einlass- oder Auslassventile 40 quasi unter dem Kolben "durchtauchen". Diese Variante ist in Fig. 1 durch punktierte Linien für den Hub hE des Auslassventils demonstriert. Dabei wird das Auslassventil aus der dritten Öffnungsstellung hER3 in der vierten Stufe hE4 nicht geschlossen, sondern in einer vierten Stufe hE4’ nochmals geöffnet, wobei an die vierte Stufe hE4' eine vierte Öffnungsstellung hER4' entsprechend der Rampe ER4’ anschließt, in welcher die Öffnung eine bestimmte Zeitdauer tE4' kon-45 stant gehalten wird. Danach folgt in einem fünften Schritt hE5’ entweder ein entgültiges Schließen des Auslassventils oder ein Vermindern des Hube HE bis zu einer fünften Öffnungsstellung hER5" entsprechend der Rampe ER5". Nach der Rampe ER5" wird das Auslassventil in einer sechsten Stufe hE6" endgültig geschlossen. so Der Vorgang des Durchtauchens ist im Detail in Fig. 2 für die Hubkurve h eines Ein- oder Auslassventils darstellt. Die einzelnen Stufen sind dabei mit h^ h2, h3, h4, h5, h6, die Rampen mit R1, R2, R3, R4, R5 und die Öffnungsstellungen während der Zeitdauer ti, t2, t3, U, t5 mit hR1, hra, ^fö, hR3, hR5 bezeichnet. 55 Die mittels elektrohydraulischem Ventiltrieb realisierte vollvariable Ventilbetätigung mit gestuften

Claims

5 AT 414 010 B Hubkurven h,, hE ermöglicht einerseits eine optimale Spülung des Brennraumes im Volllastbereich und andererseits eine exakte Steuerung der Restgasmenge im Teillastbereich durch Optimierung der Überschneidungsflächen der Hubkurven hi, hE. Durch optimal gestaltbare Ventilöffnung des Einlassventils während der Ansaugphase können Ladungswechselverluste 5 vermindert und das Volllastpotential angehoben werden. Die abgestufte Ventilerhebung im Bereich des Ladungswechsels ermöglicht ein besonders gutes Spülverhalten, wobei Ventiltaschen im Kolben zumindest wesentlich verkleinert werden können oder gar auf Ventiltaschenkolben verzichtet werden kann. Dadurch kann der Brennraum io für die Verbrennung optimal gestaltet werden. Besseres Spülverhalten und exaktere Restgassteuerung gestatten es, einerseits Verbrauch und Emissionen wesentlich zu vermindern und andererseits das Volllastverhalten deutlich zu steigern. 15 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit vorzugsweise elektrohydrauli- 20 schem, vollvariablem Ventiltrieb, wobei zumindest im Bereich des oberen Totpunktes (OTLw) des Ladungswechsels zumindest ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil diskontinuierlich geöffnet oder geschlossen wird und wobei das Einlassventil und/oder das Auslassventil in zumindest zwei Stufen (hM, h,2; h,3, hw; hE1, hE2; hE3, hE4) geöffnet und/oder geschlossen wird, wobei zwischen den Stufen (hM, h|2; h|3, hM; hE1l h^; hE3, hE4) der Ventil- 25 hub (hE) im Wesentlichen konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein lassventile und/oder Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes (OTLw) des Ladungswechsels in gleicher Richtung wie der Kolben, vorzugsweise synchron mit diesem, bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil vor dem oberen Totpunkt (OTLW) des Ladungswechsels bis zu einer ersten Öffnungsstellung (h|R1) und nach dem oberen Totpunkt weiter bis zu einer zweiten Öffnungsstellung (h^) geöffnet wird, wobei im Bereich des oberen Totpunktes (OTLW) des Ladungswechsels der Ventilhub (h|) in der ersten Öffnungsstellung (h!R1) konstant gehalten wird. 35
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub (hi) des Einlassventils aus der zweiten Öffnungsstellung (h)R2) in eine dritte Öffnungsstellung (h|R3) reduziert wird, wobei der Ventilhub (hi) in der dritten Öffnungsstellung (h!R3) vor dem endgültigen Schließen des Einlassventils für eine vordefinierte Dauer konstant gehalten wird. 40
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil zu Beginn des Auslasstaktes in eine erste Öffnungsstellung (hEm) geöffnet wird, wobei der Ventilhub (hE) der ersten Öffnungsstellung (hER1) für eine vordefinierte Dauer konstant gehalten und danach weiter in eine zweite Öffnungsstellung (hER2) erweitert wird. 45
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub (hE) des Auslassventils unmittelbar vor dem oberen Totpunkt (OTLw) des Ladungswechsels von der zweiten Öffnungsstellung (hER2) in eine dritte Öffnungsstellung (hER3) reduziert wird, wobei der Ventilhub (hE) in der dritten Öffnungsstellung (hER3) für eine vordefinierte Dauer so konstant gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil im Bereich des oberen Totpunktes (OTLW) des Ladungswechsels, vorzugsweise unmittelbar nach dem oberen Totpunkt (OTLw) des Ladungswechsels aus der zweiten Öffnungsstellung (hER2) ge- 55 schlossen wird. 6 AT 414 010 B
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnungsstellung des (hiRi) Einlassventils und/oder die dritte Öffnungsstellung (h|R3) des Auslassventils so bemessen ist, dass im oberen Totpunkt (OTLw) des Kolbens während des Ladungswechsels ein vordefinierter Mindestabstand zwischen Kolben und den geöff-5 neten Einlass- oder Auslassventilen von vorzugsweise mindestens 0,8 mm verbleibt. Hieiu 1 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55