AT502088A1

AT502088A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT502088A1
Application number: AT0079405A
Authority: AT
Inventors: Paul Dr Kapus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2007-01-15
Also published as: AT502088B1

Description

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55227
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Auslassventilen pro Zylinder, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich eine Abgasrückführung aus den Auslasskanälen über die Auslassventile in den Brennraum durchgeführt wird und wobei durch unterschiedliche Schliesszeiten der Auslassventile ein Drall im Brennraum erzielt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit zumindest zwei Einlass- und zwei Auslassventile pro Zylinder, mit einer Ventilbetätigungseinrichtung, welche es ermöglicht, dass die Auslassventile zu unterschiedlichen Zeiten geschlossen werden.
Aus der US 6,502,541 B2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Abgas über die Auslassventile in den Brennraum rückgeführt werden kann.

Die interne Abgasrückführung wird insbesondere bei Teillast zur Verbrauchsverbesserung durchgeführt. Um einen Drall des rückgeführten Abgases im Brennraum zu erreichen, werden die Auslassventile zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschlossen. Die unterschiedlichen Schliesszeiten werden durch eine Phasenverschiebung der Steuerzeiten der beiden Auslassventile erreicht. Die Auslassventile werden somit zu unterschiedlichen Zeitpunkten geöffnet. Um die Auslassventile unabhängig voneinander verstellen zu können, ist allerdings ein hoher technischer Aufwand erforderlich.
Auch aus der US 5,870,993 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder bekannt, wobei durch Verschieben der Auslasserhebungskurven eine interne Abgasrückführung aus den Auslasskanälen in den Brennraum durchgeführt werden kann.

Durch Maskierungen im Bereich beider Auslassöffnungen kann ein Drall der rückgeführten Abgase im Brennraum erzielt werden. Diese Maskierung beider Auslassöffnungen wirkt sich nachteilig auf die Volllast aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrauchsverbesserung bei Teillast ohne Verschlechterung des Volllastverhaltens zu ermöglichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die beiden Auslassventile unterschiedlich lange geöffnet werden, wobei vorzugsweise die beiden Auslassventile zum gleichen Zeitpunkt geöffnet werden. Der Öffnungszeitpunkt der Auslassventile kann dabei über Phasenversteller synchron verstellt werden.

Insbesondere kann dabei - bei nockenbehaftetem Betrieb - vorgesehen sein, dass die Auslassventile unterschiedlich lange Auslassventilhubkurven aufweisen.
Die Erfindung ist aber auch für nockenlosen Betrieb geeignet.
t.
Durch das gleichzeitige Öffnen der Auslassventile kann zu Beginn des Auslasstaktes eine relativ grosse Menge des Abgases in die Ausiasskanäle geleitet werden. Dadurch kann ein günstiges Entleerungsverhalten des Brennraumes mit minimalen Drosselverlusten erzielt werden.

Insbesondere bei Volllast ergibt sich somit eine hohe Leistungsausbeute.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Unterschied zwischen den Schliesszeitpunkten der Auslassventile 10[deg.] bis 80[deg.] Kurbelwinkel, vorzugsweise 20[deg.] bis 60[deg.] Kurbelwinkel, beträgt, wobei vorzugsweise ein erstes Auslassventil unmittelbar nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels und ein zweites Auslassventil 20[deg.] bis 60[deg.] Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels geschlossen wird. Als Schliesszeitpunkt wird hier jener Zeitpunkt definiert, zu dem das Auslassventil einen Resthub von 1 mm aufweist. Der unterschiedliche Schliesszeitpunkt bewirkt, dass beim Rücksaugen von Abgas aus dem Auspuff in den Zylinder ein Drall entsteht.

Um möglichst hohe Drallkomponenten zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn das rückgeführte Abgas im Bereich zumindest eines Auslassventils über eine durch eine Maskierung gebildete Strömungsleitfläche geführt wird. Dabei kann die Maskierung nur im Bereich einer Auslassventilöffnung vorgesehen sein. Dies ermöglicht, die Strömungsverluste beim Ausströmen aus dem Zylinder an der Volllast gering zu halten. Um eine ausreichende Drallwirkung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Maskierung um die Mitte der Auslassöffnung einen Umschlingungswinkel von etwa 150[deg.] bis 180[deg.] einschliesst. Die Höhe der Maskierung sollte dabei etwa 1,5 mm bis 4 mm betragen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abstand der Maskierung vom Ventiltellerrand etwa 0,3 mm bis 0,7 mm beträgt.
Der unterschiedliche Schliesszeitpunkt der Auslassventile kann durch asymmetrische Gestaltung des Nocken zumindest eines Auslassventils realisiert werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jedes Auslassventil durch einen eigenen Nocken betätigbar ist, wobei die Nocken unterschiedliche Schliessflanken aufweisen.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Nocken gleiche Öffnungsflanken und/oder gleiche maximale Nockenerhebungen aufweisen.
Zusätzlich kann durch asymmetrische Einlasskanäle der Drall im Brennraum zu Folge der Einlassströmung aus den Einlasskanälen erhöht werden, wobei vorzugsweise ein Einlasskanal abschaltbar ausgebildet sein kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Ventilbild eines Zylinderkopfes der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine, Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäss der Linie IIII in Fig. 1 bei geöffnetem Auslassventil, Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt analog zu Fig. 2 bei geschlossenem Auslassventil und Fig. 4 ein Ventilhub-Kurbelwinkel-Diagramm.
Fig. 1 zeigt einen Zylinderkopf 1 in einer brennraumseitigen Ansicht auf den Zylinderkopfboden 2 eines Zylinders 3.

Pro Zylinder 3 münden in den - nicht weiter ersichtlichen - Brennraum zwei Einlassöffnungen 4, 5 und zwei Auslassöffnungen 6, 7 in den Brennraum ein. Über die Einlassöffnungen 4, 5 ist der Brennraum mit nicht weiter dargestellten Einlasskanälen über die Auslassöffnungen 6, 7 mit nicht weiter dargestellten Auslasskanälen verbunden. Die Einlassöffnungen 4, 5 bzw. die Auslassöffnungen 6, 7 werden jeweils durch ein Einlassventil 4a, 5a bzw. Auslassventil 6a, 7a gesteuert.
Insbesondere bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine kann zur Verbesserung des Verbrauches eine interne Abgasrückführung durchgeführt werden. Diese interne Abgasrückführung wird realisiert, indem anschliessend an den Auslasstakt im Bereich des oberen Totpunktes OTW des Ladungswechsels Abgas aus den Auslasskanälen in den Brennraum zurückgesaugt wird.

Zur Verbesserung der Brennbedingungen und der Emissionen ist dabei ein hoher Drall im Brennraum wünschenswert. Dieser Drall wird durch unterschiedliche Schliesszeitpunkte der beiden Auslassventile 6a, 7a erzielt. Eine weitere Drallerhöhung kann durch eine Maskierung 9 im Bereich zumindest einer Auslassöffnung 6 erreicht werden. Um die Strömungsverluste beim Ausströmen aus dem Zylinder 3 im Bereich der Volllast möglichst gering zu halten, ist die Maskierung 8 nur im Bereich einer Auslassöffnung 6 angeordnet. Die Maskierung 8 ist bevorzugt an der Auslassöffnung 6 des Auslassventils 6a mit längerer Öffnungsdauer angeordnet. Sie weist einen Umschlingungswinkel [alpha] von etwa 150[deg.] bis 180[deg.] um den Mittelpunkt 6' der ersten Auslassöffnung 6 auf. Die Höhe H der Maskierung 8 beträgt etwa 1,5 mm bis 4 mm - gemessen bis zur halben Höhe h des Ventiltellerrandes 6b.

Der Abstand a zwischen Maskierung 8 und Ventiltellerrand 6b beträgt etwa 0,3 mm bis 0,7 mm.
Fig. 4 zeigt ein Ventilhub H-Kurbelwinkel KW-Diagramm, wobei die Ventilhubkurve der Einlassventile 4a, 5a mit E bezeichnet ist. Mit Ai ist die Ventilerhebungskurve des ersten Auslassventils 6a zu Folge einer asymmetrischen Auslassventilerhebung, mit A2die Ventilerhebungskurve des zweiten Auslassventils 7a bezeichnet. Die Öffnungsrampen RÖ des ersten Auslassventils 6a und des zweiten Auslassventils 7a sind dabei gleich ausgeführt. Der unterschiedliche Schliesszeitpunkt AS2des zweiten Auslassventils 7a gegenüber dem ersten Auslassventil 6a wird dabei durch eine asymmetrische Gestaltung der Schliessrampe RSi des ersten Auslassventils 6a im Bezug zur Öffnungsflanke erreicht. Mit RS2ist dabei die Schliessflanke des zweiten Auslassventils 7a bezeichnet.

Durch die unterschiedlichen Schliesszeitpunkte ASXund AS2des ersten und zweiten Auslassven <0>. tils 6a, 7a und dem gleichen Öffnungszeitpunkt AÖ ergeben sich unterschiedliche Öffnungsdauern [Delta]ti und [Delta]t2.
Die Ventilhubkurve Ai' zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Schliesszeitpunkt ASi des ersten Auslassventils 6a ebenfalls später liegt als der Schliesszeitpunkt AS2des zweiten Auslassventils 7a. Öffnungs- und Schliessflanke RÖ<1>und RSi<1>der Ventilhubkurve Ai' sind hier allerdings symmetrisch. Auch hier führen unterschiedliche Öffnungsdauern [Delta]ti, [Delta]t2der ersten und zweiten Auslassventile 6a, 7a zur Drallbildung im Brennraum.
Der Öffnungszeitpunkt AÖ ist für beide Auslassventile 6a, 7a unverändert.

Durch das synchrone Öffnen der Auslassventile 6a, 7a wird zu Beginn des Auslasstaktes ein hoher Massenstrom durch die Auslassöffnungen 6, 7 in den Auslasstrakt ermöglicht, was insbesondere im Volllastbetrieb von grosser Bedeutung ist. Dadurch können Drossel Verluste klein gehalten und ein Leistungsabfall bei Volllast vermieden werden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) mit zumindest zwei Einlassund zwei Auslassventilen (4a, 5a; 6a, 7a) pro Zylinder (3), mit einer Ventilbetätigungseinrichtung, welche ermöglicht, dass die Auslassventile (6a, 7a) zu unterschiedlichen Zeiten (ASi, AS2) geschlossen werden, wobei die Auslassventile (6a, 7a) synchron geöffnet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslassöffnung (6) zumindest eines Auslassventils (6a), vorzugsweise des Auslassventils (6a) mit der längeren Öffnungsdauer, eine Maskierung (8) angeordnet ist und dass die Höhe (HM) der Maskierung (8) - gemessen bis zur halben Höhe (h) des Ventiltellerrandes (6b) des entsprechenden Auslassventils - etwa 1,5 mm bis 4 mm beträgt.

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Auslassventilen pro Zylinder, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich eine Abgasrückführung aus den Auslasskanälen über die Auslassventile in den Brennraum durchgeführt wird und wobei durch unterschiedliche Schliesszeiten der Auslassventile ein Drall im Brennraum erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auslassventile unterschiedlich lange geöffnet werden.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit über Nocken betätigten Auslassventilen, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinder (3) jedes Auslassventil (6a, 7a) durch einen eigenen Nocken betätigbar ist, wobei die Nocken unterschiedliche Schliessflanken (RSi, RS2) aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile unterschiedlich lange Auslassventilhubkurven aufweisen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken gleiche Öffnungsflanken (RÖ) und/oder gleiche maximale Nockenerhebungen aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auslassventile zum gleichen Zeitpunkt geöffnet werden.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung (8) um die Mitte (6') der Auslassöffnung (6) einen Umschlingungswinkel ([alpha]) von etwa 150[deg.] bis 180[deg.] einschliesst.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt der, Auslassventile vorzugsweise über Phasenschieber, in gleichem Ausmass verstellt wird.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand ([alpha]) der Maskierung (8) vom Ventiltellerrand (6b) etwa 0,3 mm bis 0,7 mm beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schliesszeitpunkt der Auslassventile, vorzugsweise über Phasenschieber, im gleichen Ausmass, vorzugsweise kontinuierlich, verstellt wird.

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P A T E N T A N S P R Ü C H E

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei pro Zylinder (3) zumindest zwei Einlasskanäle in den Brennraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlasskanal drallerzeugend ausgebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Abgas im Bereich zumindest eines Auslassventils über eine durch eine Maskierung gebildete Strömungsleitfläche geführt wird.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei pro Zylinder (3) zumindest zwei Einlasskanäle in den Brennraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlasskanal abschaitbar ausgeführt ist.

NACHGEREICHT - _ 2 -

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den Schliesszeitpunkten der Auslassventile bezogen auf 1mm Resthub - 10[deg.] bis 80[deg.] Kurbelwinkel, vorzugsweise 20[deg.] bis 60[deg.] Kurbelwinkel, beträgt, wobei vorzugsweise ein erstes Auslassventil unmittelbar nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels und ein zweites Auslassventil 20[deg.] bis 60[deg.] Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels geschlossen wird.

8. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich eine Abgasrückführung aus den Auslasskanälen über die Auslassventile in den Brennraum durchgeführt wird und wobei durch unterschiedliche Schliesszeiten der Auslassventile ein Drall im Brennraum erzielt wird, und wobei die beiden Auslassventile unterschiedlich lange geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Abgas im Bereich zumindest eines Auslassventils über eine durch eine Maskierung gebildete Strömungsleitfläche geführt wird.

8. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) mit zumindest zwei Einlassund zwei Auslassventile (4a, 5a; 6a, 7a) pro Zylinder (3), mit einer Ventilbetätigungseinrichtung, welche ermöglicht, dass die Auslassventile (6a, 7a) zu unterschiedlichen Zeiten (ASi, AS2) geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile (6a, 7a) synchron geöffnet werden können.<>f

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile unterschiedlich lange Auslassventilhubkurven aufweisen.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 mit über Nocken betätigten Auslassventilen, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinder (3) jedes Auslassventil (6a, 7a) durch einen eigenen Nocken betätigbar ist, wobei die Nocken unterschiedliche Schliessflanken (RSi, RS2) aufweisen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auslassventile zum gleichen Zeitpunkt geöffnet werden.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken gleiche Öffnungsflanken (RÖ) und/oder gleiche maximale Nockenerhebungen aufweisen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt der, Auslassventile vorzugsweise über Phasenschieber, in gleichem Ausmass verstellt wird.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslassöffnung (6) zumindest eines Auslassventils (6a), vorzugsweise des Auslassventils (6a) mit der längeren Öffnungsdauer, eine Maskierung (8) angeordnet ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schliesszeitpunkt der Auslassventile, vorzugsweise über Phasenschieber, im gleichen Ausmass, vorzugsweise kontinuierlich, verstellt wird.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung (8) um die Mitte (6') der Auslassöffnung (6) einen Umschlingungswinkel ([alpha]) von etwa 150[deg.] bis 180[deg.] einschliesst.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, die Höhe (HM) der Maskierung (8) - gemessen bis zur halben Höhe (h) des Ventiltellerrandes (6b) des entsprechenden Auslassventils - etwa 1,5 mm bis 4 mm beträgt.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand ([alpha]) der Maskierung (8) vom Ventiltellerrand (6b) etwa 0,3 mm bis 0,7 mm beträgt.

15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei pro Zylinder (3) zumindest zwei Einlasskanäle in den Brennraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlasskanal drallerzeugend ausgebildet ist.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei pro Zylinder (3) zumindest zwei Einlasskanäle in den Brennraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlasskanal abschaltbar ausgeführt ist.

2005 05 10Fu Sc" Patentanwalt

Dipl.-Ing. Mag. Michael Babelul

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Tel.: (+43 1) 8928933-0 Fix: (+43 1) 89289333 e-mail: patent<[beta]>bab[beta]lok.at

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55227vlp A tenz.: 2B A 794/2005 Klasse: F 02 D

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13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den Schliesszeitpunkten der Auslassventile bezogen auf 1mm Resthub - 10[deg.] bis 80[deg.] Kurbelwinkel, vorzugsweise 20[deg.] bis 60[deg.] Kurbelwinkel, beträgt, wobei vorzugsweise ein erstes Auslassventil unmittelbar nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels und ein zweites Auslassventil 20[deg.] bis 60[deg.] Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels geschlossen wird.

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