DE10084965B3

DE10084965B3 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10084965B3
Application number: DE10084965T
Authority: DE
Inventors: Eric Olofsson
Original assignee: Saab Automobile AB
Current assignee: Saab Automobile AB
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: SE9903282L; SE514969C2; DE10084965T1; WO2001020136A1; JP2003509617A; JP4417603B2; US6595183B1; SE9903282D0

Abstract

Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mit einem geteilten Abgasstrom, versehen mit zumindest zwei Auslassventilen (2, 3) und einem Ansaugventil (13) pro Zylinder, nämlich einem über einen ersten Abgaskrümmer (4) mit dem Einlass einer abgasgetriebenen Turbine (10) in einem Turbokompressor (9) zum Aufladen des Motors verbundenen ersten Auslassventil (2) und einem über einen zweiten Abgaskrümmer (5) mit dem Auspuffsystem des Motors stromabwärts der Abgasturbine (10) verbundenen zweiten Auslassventil (3), worin ein Ansaugventil (13) und das zweite Auslassventil (3) für eine Periode (C) gleichzeitig offen sind, wenn der Kolben in seiner oberen Totpunktstellung (B) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugventil (13) und das zweite Auslassventil (3) derart synchronisiert sind, dass die Länge der Periode (C), während der sie gleichzeitig offen sind, mit der Motordrehzahl zunimmt, wenn der Motor bei hoher Last angetrieben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Verwendung von Turbomotoren, d. h. Motoren, in denen eine Aufladung mittels eines Kompressors ausgeführt wird, der von einer abgasgetriebenen Turbine angetrieben wird, wird in der Automobiltechnologie zunehmend üblich. Bei hoher Leistung kann als Folge eine größere Ladung als in einem herkömmlichen Motor genutzt werden. Bei Volllast wird jedoch als Folge einer negativen Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass während der Periode, in der Einlassventile und Auslassventile gleichzeitig offen sind, ein schlechter volumetrischer Wirkungsgrad erhalten. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, den Zylinder während des Ausströmhubs vollständig zu entleeren, infolgedessen die gewünschte Menge an neuer Luft auch nicht zugeführt werden kann. Eine andere Konsequenz ist, dass der Abgasstrom bei niedriger Motordrehzahl nicht ausreicht, um die Turbine effektiv anzutreiben, mit dem Ergebnis, dass der Ladedruck nicht optimal ist.
Durch Nutzen des bekannten Prinzips der geteilten Ausströmperiode gemäß der Patentschrift GB 2 185 286 kann der Betrieb der Abgasturbine vermöge der Tatsache verbessert werden, dass der Abgasstrom aufgeteilt wird, so dass nur der Hochdruckstrom zur Abgasturbine gelangt, während der Niederdruckstrom an der Abgasturbine vorbei geleitet wird. Dies wird aufgrund der Tatsache erreicht, dass es in jedem Zylinder mindestens zwei Auslassventile gibt, welche verschieden öffnen und separate Abgaskrümmer speisen. Auf diese Weise wird ein besseres Entleeren des Zylinders ermöglicht.
Während des Ausströmhubs des Kolbens öffnet das Ansaugventil, bevor der Kolben die Position seines oberen Totpunktes erreicht hat, während gleichzeitig das zweite Ausströmventil (das zuletzt geöffnete) noch offen und an dem Punkt ist, an dem es geschlossen wird, nachdem der Kolben seine obere Totpunktstellung passiert hat. Daher gibt es um die obere Totpunktstellung des Kolbens eine Ventilüberschneidung, in der ein Ausströmventil und ein Ansaugventil gleichzeitig offen sind und der Druck im Abgassystem niedrig ist. Falls diese Ventilüberschneidung zu groß ist, kann ein großer Teil der durch den Kompressor eingespeisten Luft bei Volllast über das offene Auslassventil ”auslecken” und wird daher im Zylinder nicht verbrannt. Das Ergebnis ist ein Ungleichgewicht im Massenstrom zwischen dem Kompressor und der Turbine, was zur Folge hat, dass die Turbine den Kompressor nicht veranlassen kann, einen ausreichenden Ladedruck abzugeben. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Drehmoment beeinträchtigt wird. Falls auf der anderen Seite die Ventilüberschneidung zu klein ist, bleiben Restgase im Zylinder übrig mit der Folge, dass die Verbrennungsluftmenge vermindert, womit eine Leistungsminderung verbunden ist.
In EP 0 275 245 A1 wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, welche einen abgasbetriebenen Turbokompressor, Zylinder mit einem Einlassventil, mit dem der Kompressor des Turbokompressors über ein Einlassrohr verbunden ist, und ein Auslassventil, das mit der Turbine des Turbokompressors über ein Auslassventilrohr verbunden ist, aufweist. Jeder der Zylinder der Brennkraftmaschine weist ein Druckregelventil auf, das mit dem Auslassrohr über eine Druckregelleitung zwischen dem Auslassventil und der Turbine des Turbokompressors verbunden ist. Über eine Einrichtung wird das Druckregelventil geöffnet, wenn sich der Kolben im Zylinder während des Kompressionstakts in einer ersten vorbestimmten Stellung in einem Abstand von der unteren Totpunktstellung des Kolbens befindet, und über die Einrichtung wird das Druckregelventil geschlossen, wenn sich der Kolben während des Kompressionstakts in einer zweiten, vorbestimmten Stellung in einem größeren Abstand von seiner unteren Totpunktstellung befindet.
Die US-Patentschrift 5,937,807 zeigt ein Auslassventilsystem für einen Dieselmotor mit einem Turbolader. Bei diesem wird das Auslassventil über eine Steuervorrichtung zum Öffnen und Schließen des Auslassventils betätigt. Das Auslassventil kann während eines normalen Betriebs bei einem Kurbelwinkel vor dem Ende des Arbeitstaktes geöffnet, und bei einem normalen Schließ-Kurbelwinkel geschlossen werden. Die Steuervorrichtung ist zudem in einem erweiterten Steuerungsmodus zum Erweitern der Öffnungszeit des Auslassventils betreibbar, zumindest während eines Leerlaufzustands des Motors oder bei geringer Motorlast. Der Öffnungs-Kurbelwinkel liegt im Wesentlichen vor dem normalen Öffnungs-Kurbelwinkel, während das Schließen des Auslassventils bei dem normalen Schließ-Kurbelwinkel erfolgt, um die Drehzahl des Turboladerkompressors während des Betriebs in dem erweiterten Steuerungsmodus zu erhöhen.
Des weiteren zeigt die US-Patentschrift 5,443,050 ein Motorsteuersystem bei welchem in Abhängigkeit von einer Lasterfassungseinrichtung die Öffnungszeit eines Einlassventils und das Kraftstoffluftgemisch über erste und zweite Steuermittel eingestellt werden. Ein erstes Steuermittel steuert dabei die Öffnungszeit des Einlassventils in Abhängigkeit von der Lasterfassungseinrichtung so, dass der Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils derart gewählt wird, dass die Last geringer ist als zum Schließzeitpunkt, bei dem die Last höher ist. Das zweite Steuermittel steuert die Einstellung des Kraftstoffluftgemisches in Abhängigkeit von der Lasterfassungseinrichtung so, dass das Kraftstoffluftgemisch in dem Bereich fetter gemacht wird, in dem die Last geringer ist, als in dem Bereich in dem die Last höher ist.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Turbomotor herzustellen, der verbesserte Eigenschaften innerhalb eines größeren Bereichs von Motordrehzahlen bei Volllast aufweist.
Das Ziel der Erfindung wird erreicht, indem ein Verbrennungsmotor wie in der Einleitung angegeben mit den Merkmalen hergestellt wird, welche im Patentanspruch 1 spezifiziert sind.
Mittels der gewählten Ausführungsform ist es möglich, den Gasstrom durch den Motor so zu steuern, dass Abgase abgelassen werden, ohne dass eine unnötig große Menge an eingespeister Luft über ein Auslassventil, das noch offen ist, ”auslecken” kann. Dies führt zu einer effektiveren Füllung des Zylinders und als Folge einem erhöhten Massenstrom von Abgasen, der wiederum die Möglichkeit einer Erhöhung des Drehmoments bei niedriger Motordrehzahl mittels eines höheren Ladedrucks erhöht.
Die Synchronisierung zwischen den Ventilen kann in vorteilhafter Weise derart sein, dass, während die Motordrehzahl steigt, das Ansaugventil zunehmend früh vor der oberen Totpunktstellung des Kolbens öffnet, während das zweite Auslassventil zunehmend spät nach der oberen Totpunktstellung des Kolbens schließt. Auf diese Weise kann die Position einer maximalen Öffnung erreicht werden, wenn der Kolben bei oder sehr nahe der oberen Totpunktstellung ist.
Die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Länge der Überschneidungsperiode kann geeigneterweise exponentiell sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Lösung gemäß der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den anderen Patentansprüchen hervor.
Die Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf in der Zeichnung gezeigte beispielhafte Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt
1 einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung,
2 einen Ventilhub als Funktion des Kurbelwellenwinkels für verschiedene Ventile,
3 einen Teil von 2, der eine Ventilüberschneidung zeigt, und
4 eine Ventilüberschneidung als Funktion der Motordrehzahl.
1 zeigt schematisch einen als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 1 gemäß der Erfindung mit mehreren Zylindern. Die Zylinder des Motors weisen mindestens je zwei Auslassventile 2 und 3 auf. Von den ersten Auslassventilen 2 der Zylinder wird Abgas zu einem den Zylindern gemeinsamen ersten Abgaskrümmer 4 ausgeleitet. Von den zweiten Auslassventilen 3 der Zylinder wird Abgas zu einem den Zylindern gemeinsamen zweiten Abgaskrümmer 5 ausgeleitet. Der erste Abgaskrümmer 4 ist über eine erste Auspuffleitung 7 mit einem Katalysator 6 verbunden, und der zweite Abgaskrümmer 5 ist über eine zweite Auspuffleitung 8 mit dem Katalysator 6 verbunden. Ein oder mehrere (nicht dargestellte) Schalldämpfer ist oder sind stromabwärts des Katalysators 6 in herkömmlicher Weise angeordnet.
Der Motor 1 ist auch zum Aufladen mittels eines abgasgetriebenen Turbokompressors 9 (oder Turboladers) ausgestattet, dessen Turbine 10 an die erste Auspuffleitung 7 angeschlossen ist und daher vom ersten Abgaskrümmer 4 und den ersten Auslassventilen 2 gespeist wird. Ein von der Turbine 10 angetriebener Kompressor 11 versorgt den Motor mit Ladeluft, die, falls zweckmäßg, in einem Kühler 12 gekühlt wird. Diese Ladeluft wird in herkömmlicher Weise über ein oder mehrere (im Detail nicht dargestellte) Ansaugventile 13 in jeden Zylinder gespeist.
Der hier beschriebene Motor 1 weist daher einen geteilten Abgasstrom gemäß dem in der erwähnten Patentschrift GB 2 185 286 beschriebenen Prinzip auf. Die Wechselwirkung zwischen Auslassventilen und Ansaugventilen in einem Zylinder ist in 2 in schematischer Form dargestellt. Die horizontale Achse repräsentiert den Kurbelwellenwinkel CA des Motors, während die vertikale Achse den Wert des Ventilhubs VL repräsentiert. Während des Ausströmhubs des Kolbens sind zwischen der unteren Totpunktstellung A und der oberen Totpunktstellung B des Kolbens beide Auslassventile 2 und 3 im wesentlichen offen. Wie man erkennen kann, öffnet das erste Auslassventil 2, bevor der Kolben seine untere Totpunktstellung A erreicht hat, und schließt, bevor der Kolben seine obere Totpunktstellung B erreicht hat. Auf der anderen Seite öffnet das zweite Auslassventil 3 erst, wenn der Kolben sich von seiner unteren Totpunktstellung A ein wenig nach oben bewegt hat, und bleibt für eine Zeitspanne offen, nachdem der Kolben die seine obere Totpunktstellung B passiert hat. Wie man erkennen kann, öffnet das Ansaugventil 13, bevor der Kolben seine obere Totpunktstellung B erreicht hat, während das zweite Auslassventil 3 noch offen ist. Auf diese Weise sind das zweite Auslassventil 3 und das Ansaugventil 13 für eine bestimmte Überschneidungsperiode C gleichzeitig offen.
Diese Überschneidungsperiode bleibt unter verschiedenen Betriebsbedingungen in einem Motor im wesentlichen konstant als Folge der Tatsache, dass die Ventile immer bei der gleichen Stellung der Kurbelwelle und des Kolbens öffnen und schließen. Gemäß der Erfindung ist es jedoch möglich, die Dauer der Überschneidungsperiode C als Funktion der Arbeitsbedingungen des Motors zu ändern. Dies ist in 3 und 4 ausführlicher dargestellt.
3 zeigt ausführlicher, wie der Ventilhub für das zweite Auslassventil 3 und das Ansaugventil 13 um die obere Totpunktstellung B des Kolbens geändert wird. Die in durchgezogenen Linien gezeichneten Kurven repräsentieren eine Betriebssituation mit Volllast und einer Motordrehzahl von ungefähr 2000 UpM. Die Überschneidungsperiode C beträgt in diesem Fall ungefähr 30°. Die in gestrichelten Linien dargestellten Kurven 3' und 13' repräsentieren ebenfalls eine Betriebssituation mit Volllast, aber nun mit der doppelten Motordrehzahl, ungefähr 4000 UpM. Die Überschneidungsperiode C' ist nun erheblich größer, ungefähr 42°. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Kurven im wesentlichen symmetrisch um die obere Totpunktstellung B des Kolbens, aber andere Kurvenformen sind in Abhängigkeit von den Charakteristiken des in Frage kommenden Motors natürlich ebenfalls möglich.
Die Beziehung zwischen dem Wert der Motordrehzahl n (UpM) und der Dauer der Überschneidungsperiode D ist durch die Kurve E in 4 ausführlicher dargestellt. Wie man erkennen kann, ist die Beziehung nicht linear, sondern exponentiell. Das Ergebnis einer Verdopplung der Motordrehzahl ist nicht, dass sich die Dauer der Überschneidungsperiode verdoppelt, sondern dass sie um ungefähr die Quadratwurzel des Motordrehzahlverhältnisses, d. h. um ungefähr 41% zunimmt.
Die oben für die Überschneidungsperiode und die Motordrehzahl angegebenen Werte wurden eingezeichnet.
Die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Dauer der Überschneidungsperiode D des Ventils wurde hier so gewählt, dass bei Volllast innerhalb eines gegebenen Motordrehzahlbereichs ein möglichst großes Drehmoment erreicht wird. Dies bedeutet, dass die Dauer der Überschneidungsperiode der Ventile bei jeder spezifischen Motordrehzahl genau richtig ist. Eine zu starke Verkürzung der Überschneidungsperiode der Ventile hat zur Folge, dass Restgase im Zylinder übrig bleiben, was zu einer schlechteren Zylinderfüllung und folglich zu einem Leistungsverlust führt. Falls auf der anderen Seite die Überschneidungsperiode der Ventile zu lang gemacht wird, kann zu viel über den Kompressor eingespeiste Luft über das offene Auslassventil auslecken und daher nicht für die Verbrennung im Zylinder genutzt werden, was auch in diesem Fall einen Leistungsverlust zur Folge hat. In diesem letztgenannten Fall wird im Zylinder nicht die gesamte durch den Kompressor zugeführte Luft gefangen. Eine andere Methode, dies auszudrücken ist, dass der Einlassdruck zu niedrig ist, um bei der betreffenden Drehzahl das volle Drehmoment zu liefern.
Die Ventile können auf mehrere verschiedene Arten, z. B. mittels einer stetig veränderlichen Nockenverstellung für sowohl die Einlass- als auch die Auslassnockenwelle, gesteuert werden. Mehrere andere Verfahren sind jedoch ebenfalls möglich, wie z. B. die Verwendung elektrohydraulischer Ventile, denen nach Bedarf und Wunsch veränderliche Kennlinien zugeordnet werden können.
Herkömmliche Scheibenventile erfordern eine relativ lange Zeit, um zu öffnen und zu schließen, da eine Verschiebung in ihrer axialen Richtung notwendig ist und nicht zu kräftig ausgeführt werden kann. Ventile, die in einer anderen Weise betätigt werden, wären daher imstande, durch schnelleres Öffnen und Schließen eine erhöhte Genauigkeit im Gasaustausch in einem Zylinder zu gewähren.
Innerhalb des Umfangs der Erfindung kann die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Dauer der Überschneidungsperiode zu der oben angegebenen natürlich verschieden sein. Zum Beispiel kann der Wert des Exponenten in der Beziehungsfunktion verschieden ausgewählt werden.
Gemäß der Erfindung ist das Ziel daher, den Zylinder möglichst vollständig von Restgasen zu entleeren, ohne einen unnötigen Durchgangsstrom von Luft zuzulassen. Da die Stellung der Drossel über eine Betätigung durch den Fahrer schnell verstellt werden kann, ist es wünschenswert, dass die Ventilsteuerung so ausgelegt ist, dass eine Änderung der Dauer der Überschneidungsperiode im wesentlichen so schnell wie die Änderung der Stellung der Drossel stattfinden kann.

Claims

Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mit einem geteilten Abgasstrom, versehen mit zumindest zwei Auslassventilen (2, 3) und einem Ansaugventil (13) pro Zylinder, nämlich einem über einen ersten Abgaskrümmer (4) mit dem Einlass einer abgasgetriebenen Turbine (10) in einem Turbokompressor (9) zum Aufladen des Motors verbundenen ersten Auslassventil (2) und einem über einen zweiten Abgaskrümmer (5) mit dem Auspuffsystem des Motors stromabwärts der Abgasturbine (10) verbundenen zweiten Auslassventil (3), worin ein Ansaugventil (13) und das zweite Auslassventil (3) für eine Periode (C) gleichzeitig offen sind, wenn der Kolben in seiner oberen Totpunktstellung (B) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugventil (13) und das zweite Auslassventil (3) derart synchronisiert sind, dass die Länge der Periode (C), während der sie gleichzeitig offen sind, mit der Motordrehzahl zunimmt, wenn der Motor bei hoher Last angetrieben wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierung derart ist, dass, während die Motordrehzahl zunimmt, das Ansaugventil (13) zunehmend früh vor der oberen Totpunktstellung (B) des Kolbens öffnet, während das zweite Auslassventil (3) zunehmend spät nach der oberen Totpunktstellung des Kolbens schließt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Periode (C), während der die Ventile gleichzeitig offen sind, bei einer Motordrehzahl von ungefähr 2000 UpM ungefähr 30 Kurbelwellengrad beträgt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierung derart ist, dass, wenn eine Erhöhung der Motordrehzahl von einer gegebenen Motordrehzahl aus stattfindet, die Länge der Periode (C), während der die Ventile gleichzeitig offen sind, exponentiell mit dem Verhältnis zwischen der höheren und der niedrigeren Motordrehzahl zunimmt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Exponenten vorzugsweise 1/2 ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) und das Ansaugventil (13) gemeinsam offen sind während einer Periode, die im wesentlichen symmetrisch um die obere Totpunktstellung des Kolbens liegt.