DE10141431A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit druckentlastbaren Gasauslaßventilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Gasauslaßventil (2) je Zylinder (1), das durch einen von einer Motorsteuerung voll-variabel steuerbaren Aktuator (7), insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator betätigt wird und durch das der Zylinderinnenraum entsprechend dem vorgegebenen Arbeitstakt gegenüber einem an einem Ventilsitz (3) anschließenden mit einem Abgassystem in Verbindung stehenden Gasauslaßkanal (13) verschließbar ist, der mit einer Engstelle (14) zur Verminderung des Druckgefälles bei Öffnungsbeginn des Gasauslaßventils (2) versehen ist. Zur weiteren Reduzierung des Druckgefälles hinter dem Auslaßventil beim Öffnen wird eine gezielte Druckschwingung durch eine entsprechende Auslegung der Rohrgeometrie und der Behältervolumina im Abgassystem oder entsprechende Einbauten eingesetzt.

Description

• Die Gasauslaßventile an Kolbenbrennkraftmaschinen müssen zur Vermeidung von Ladungswechselverlusten bei hoher Zylinderladung schon vor dem Ende des Expansionstaktes zu einem Zeitpunkt öffnen, wenn der Zylinderinnendruck noch Werte von einigen Bar aufweist. Dementsprechend muß die Ventilbetätigungskraft nicht nur die Gegenkraft der Ventilfeder und die Massenkraft sondern auch die Gasdruckkraft überwinden, die innen im Zylinder auf den Ventilteller des Gasauslaßventils wirkt.
• Bei über Nockenwellen betätigten Gaswechselventilen wird die zusätzlich erforderliche Kraft problemlos über den Nockenwellenantrieb aufgebracht.
• Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Gaswechselventilen, bei denen die Gaswechselventile über vollvariabel steuerbare Aktuatoren, insbesondere elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden, macht sich dagegen der beim Öffnungsbeginn noch anstehende verhältnismäßig hohe Zylinderinnendruck über die zum Öffnen des Auslaßventils aufzubringende höhere Betätigungskraft negativ bemerkbar. Dieser höhere Kraftbedarf kann beispielsweise konstruktiv durch eine härtere Ventilöffnerfeder im Aktuator zur Verfügung gestellt werden, um durch höhere Magnetkraft und dementsprechend über höhere elektrische Energie am Schließmagneten die Ventilöffnerfeder beim Ventilschließen entsprechend vorzuspannen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Beeinflussung der Strömungsverhältnisse im Gasauslaß den Öffnungsvorgang eines Gasauslaßventils zu unterstützen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Gasauslaßventil je Zylinder, das durch einen von einer Motorsteuerung vollvariabel steuerbaren Aktuator, insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator betätigt wird und durch das der Zylinderinnenraum entsprechend dem vorgegebenen Arbeitstakt gegenüber einem, an einen Ventilsitz anschließenden Gasauslaßkanal, der mit einem Abgassystem in Verbindung steht, verschließbar ist, das mit Mitteln zur Verminderung des Druckgefälles zwischen Zylinderinnenraum und dem anschließenden Gasauslaßkanal bei Öffnungsbeginn des Gasauslaßventils versehen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich durch einen gezielten periodischen Druckaufbau im Gasauslaßkanal schon zu Beginn des Öffnungsvorgangs, also schon bei einem geringen Öffnungsquerschnitt am Ventilsitz an der Engstelle ein Druck vorhanden ist, der höher ist als der normale niedrige Gegendruck im Abgassystem. Hierdurch wird die vom Aktuator zu überwindende, vom Zylinderinnenraum her auf das Gasauslaßventil wirkende Gaskraft kurzfristig vermindert und zwar zu einem Zeitpunkt, an dem die Ventilöffnerfeder noch nahezu vollständig gespannt ist und so die in der Ventilöffnerfeder gespeicherte Energie zur Überführung des Ventils in den Fangbereich für den Anker des Öffnermagneten ausreicht und anschließend praktisch ohne erhöhten Energieaufwand die Vollöffnung des Gasauslaßventils erfolgen kann.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Mittel zur Verminderung des Druckgefälles im Gasauslaßkanal eine Engstelle vorgesehen.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Engstelle im Nahbereich des Ventilsitzes angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, das durch den Ventilsitz einerseits und die Engstelle andererseits begrenzte Volumen möglichst klein zu halten, so daß der gewünschte Druckaufbau möglichst schnell erfolgt und die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Zylinderinnenraum und dem Druck im anschließenden Abgassystem entsprechend schnell reduziert wird.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der freie Strömungsquerschnitt des in Strömungsrichtung der Abgase sich an die Engstelle anschließenden Bereichs sich über zumindest eine Teillänge des Gasauslaßkanals diffusorartig erweitert. Hierdurch wird erreicht, daß im Verlauf der weiteren Öffnung des Gasauslaßventils ein einwandfreies und schnelles Abströmen des vom Kolben aus dem Zylinderraum ausgeschobenen Abgases erfolgt.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Anordnung von zwei Gasauslaßventilen je Zylinder die beiden Gasauslaßkanäle in einem gemeinsamen Kanal zusammengeführt werden, wobei die Engstelle im Bereich der Zusammenführung angeordnet ist.
• In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist bei der Anordnung von zwei Gasauslaßventilen je Zylinder vorgesehen, daß ein Gasauslaßkanal mit Engstelle und ein Gasauslaßkanal ohne Engstelle ausgeführt ist. Diese Anordnung ermöglicht es, bei einer entsprechenden Auslegung der Motorsteuerung in vorgegebenen Motorlastbereichen, insbesondere im Bereich hoher Motorlasten das Gasauslaßventil am Gasauslaßkanal mit Engstelle vor dem anderen Gasauslaßventil unter Ausnutzung der vorstehend beschriebenen Verminderung der Druckdifferenz zu öffnen. Damit ist gewährleistet, daß der Aktuator für das andere Gasauslaßventil, dem ein "normaler" Gasauslaßkanal zugeordnet ist, praktisch keine Gaskraft mehr zu überwinden hat, da der Abbau der hohen Gaskraft im Zylinderinnenraum bereits über das durch den Aufbau eines Gegendrucks im Öffnungsvorgang entlastete Gasauslaßventil erfolgt ist.
• Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Bereich eines Gasauslaßventils,
• Fig. 2 die Form des Auslaßkanals bei einer Gestaltung mit zwei Gasauslaßventilen,
• Fig. 3 eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 2 mit zwei getrennten Gasauslaßkanälen,
• Fig. 4 den Verlauf der Ventilhübe bei der Ausführungsform gem. Fig. 2 bzw. Fig. 3 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel,
• Fig. 5 den Verlauf des Ventilhubes und den Verlauf des Druck im Gasauslaßkanal in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
• Der in Fig. 1 sehr schematisch dargestellte Bereich eines Gasauslasses an einem Zylinder 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem Gasauslaßventil 2, das in Schließstellung an einem Ventilsitz 3 anliegt. Ein mit dem Ventilteller 4 verbundener Ventilschaft 5 wird über die Kraft einer Schließfeder 6 in Schließrichtung beaufschlagt.
• Zur Betätigung des Gasauslaßventils 2 ist ein elektromagnetischer Aktuator 7 vorgesehen, der im wesentlichen aus einem Öffnermagneten 8, einem Schließmagneten 9 sowie einem zwischen den beiden Magneten 8 und 9 hin und her bewegbaren Anker 10 besteht. Der Anker ist mit einer beispielsweise geteilten Führungsstange 11 versehen, die am Schließmagneten 9 herausgeführt ist und die bei der hier dargestellten Schließstellung, bei der der Anker 10 an der Polfläche des Schließmagneten 9 anliegt, eine Öffnerfeder 12 zusammendrückt, so daß die Öffnerfeder 12 beim Stromlossetzen des Schließmagneten 9 den Anker 10 mit dem Gasauslaßventil 2 in Öffnungsstellung bewegt.
• Der elektromagnetische Aktuator ist mit einer hier nicht näher dargestellten Motorsteuerung verbunden, durch die entsprechend dem vorgegebenen Arbeitstakt der Schließmagnet 9 und der Öffnermagnet 8 abwechselnd mit Strom beaufschlagt werden können, so daß der Anker 10 entsprechend dem vorgegebenen Wechseltakt jeweils zum Öffnen und zum Schließen an der Polfläche des Öffnermagneten 8 bzw. Schließmagneten 9 zur Anlage kommt und für die vorgegebene Schließ- bzw. Öffnungszeit gehalten wird.
• An den Ventilsitz 3 schließt sich ein Gasauslaßkanal 13 an, durch den bei geöffnetem Gasauslaßventil das Abgas aus dem Zylinderraum des Zylinders 1 abströmen und durch den Kolben ausgeschoben werden kann.
• Da das Gasauslaßventil schon vor dem Ende des Expansions- bzw. Arbeitstaktes öffnen soll und somit im Zylinderraum noch ein Gasdruck herrscht, der einige Bar über dem im Abgassystem herrschenden Druck liegt, muß das Gasauslaßventil 2 nach dem Stromlossetzen des Schließmagneten 9 über die Öffnerfeder 12 gegen die durch die Fläche des Ventiltellers 4 und den Gasdruck im Zylinderraum definierte Gaskraft geöffnet werden. Sobald der Ventilteller 4 von seinem Ventilsitz 3 abhebt, baut sich der Druck im Zylinderinnenraum beim Abströmen in den Gasauslaßkanal 13 auf den üblicherweise nur wenig über dem Atmosphärendruck liegenden Druck im Abgassystem ab.
• Zur Unterstützung des Öffnungsvorganges ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im Nahbereich des Ventilsitzes 3 eine Engstelle 14 vorgesehen. Der Querschnitt des Gasauslaßkanals im Bereich der Engstelle 14 vermindert sich zweckmäßigerweise stufenlos vom großen Ausgangsquerschnitt bis zum engsten Querschnitt. Im Anschluß an die Engstelle 14 ist zumindest ein Teilbereich des Gasauslaßkanals durch eine entsprechende Querschnittserweiterung als Diffusor ausgebildet, so daß für das austretende Abgas ein freies Abströmen gewährleistet ist.
• Durch die Engstelle 14 wird bewirkt, daß nach dem Stromlossetzen des Schließmagneten 9 beim Abheben des Ventiltellers 4 von seinem Ventilsitz 3 aufgrund des Überdrucks im Zylinder 1 eine entsprechende Gasmenge abströmt, diese jedoch im Raumvolumen zwischen Ventilsitz 3 und Engstelle 14 einen Druck aufbaut, der höher ist als der Druck im Abgassystem. Damit ist die Druckdifferenz zwischen dem Zylinderinnenraum und diesem Raum vor der Engstelle 14 deutlich geringer als die Druckdifferenz zwischen dem Zylinderinnenraum und dem Abgassystem bei einem freien Abströmen des Abgases durch einen Gaskanal ohne Engstelle. Dadurch wird die auf den Ventilteller 4 einwirkende Gaskraft um ein entsprechendes Maß reduziert, so daß die Vorspannkraft der Öffnerfeder 12 zu einem schnellen weiteren Bewegen des Gasauslaßventils 2 in Öffnungsrichtung bis in den Fangbereich des dann bestromten Öffnermagneten 8 für den Anker 10 ausreicht und ein schneller Druckabbau und damit ein schnelles Ausströmen der Abgase auf dem Zylinderinnenraum gewährleistet ist.
• Die Reduzierung der Gaskraft zum Öffnungszeitpunkt erlaubt es, die Öffnerfeder 12 mit einer entsprechend reduzierten Federkennzahl auszulegen oder die für den Öffnungsvorgang aufzubringende elektrische Energie zu reduzieren oder den Auslaßventildurchmesser zu erhöhen oder aber das Auslaßventil bei höheren Zylinderdrücken zu öffnen.
• In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Zylinder 1 mit zwei Gasauslaßventilen 2.1 und 2.2 versehen ist, die hier nur über die Auslaßöffnungen angedeutet sind. Der Gasauslaßkanal 13 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als sogenannter Zwillingskanal ausgeführt, d. h. der unmittelbar an das jeweilige Gasauslaßventil anschließende kurze Kanalteil wird in einem gemeinsamen Kanal zusammengeführt. Die Engstelle 14 ist bei dieser Ausführungsform im Bereich der Zusammenführung anordnet, wobei auch hier wieder darauf zu achten ist, daß das Raumvolumen zwischen der Engstelle 14 und den Ventilsitzen der beiden Gasauslaßventile möglichst gering ist.
• In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ebenfalls der Zylinder 1 mit zwei Gasauslaßventilen 2.1 und 2.2 versehen ist. Bei dieser Ausführungsform ist jedes Gasauslaßventil mit einem gesonderten Gasauslaßkanal 13.1 bzw. 13.2 verbunden.
• Hierbei weist der Gasauslaßkanal 13.1 eine Engstelle 14, während der Auslaßkanal 13.2 als "normaler" Gasauslaßkanal ausgebildet ist.
• Da nun, wie eingangs erläutert, die elektromagnetischen Aktuatoren zur Betätigung der Gasauslaßventile über die Motorsteuerung voll-variabel angesteuert werden können, d. h. innerhalb den Gegebenheiten des jeweiligen Arbeitstaktes zu beliebigen Zeitpunkten geöffnet und geschlossen werden können, auch vollständig geschlossen gehalten werden können, ergibt sich für die Ausführung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Gasauslaßventilen je Zylinder die Möglichkeit, die beiden Gasauslaßventile zu unterschiedlichen Zeitpunkten anzusteuern. Das bedeutet für das erfindungsgemäße System daß die beiden Gasauslaßventile zeitlich geringfügig versetzt geöffnet werden. Dies ist insbesondere in Betriebsbereichen mit hoher Motorlast vorteilhaft, da gerade dann wegen des höheren Gasdrucks unmittelbar vor dem Öffnen des Gasauslaßventils auch eine erhöhte Gaskraft zu überwinden ist.
• Über die Motorsteuerung wird sowohl bei der Ausführungsform gem. Fig. 2 als auch bei der Ausführungsform gem. Fig. 3 zunächst das Gasauslaßventil 2.1 geöffnet, so daß der anhand von Fig. 1 beschriebene Vorgang des Aufbaus eines gewissen Drucks vor der Engstelle 14 erfolgen kann. Kurzzeitig verzögert kann dann praktisch ohne Überwindung einer Gaskraft das Gasauslaßventil 2.2 geöffnet werden.
• Dieser Vorgang ist in Fig. 4 für die Anordnung gem. Fig. 2 bzw. Fig. 3 dargestellt. Die vollausgezogene Kurve zeigt den Öffnungshub des Gasauslaßventils 2.1 und ist dementsprechend mit dem zugehörigen Bezugszeichen versehen. Die punktierte Kurve zeigt den Öffnungshub für das Gasauslaßventil 2.2, das um ein geringes Maß an Kurbelwinkel verzögert nach dem Gasauslaßventil 2.1 auf den vollen Ventilhub öffnet. Der Schließvorgang für beide Ventile erfolgt dann gleichzeitig.
• In Fig. 5 ist der anhand von Fig. 1 beschriebene Druckverlauf im Gasauslaßkanal im Bereich zwischen dem Ventilsitz 3 und der Engstelle 14 in Abhängigkeit vom Grad Kurbelwinkel in bezug zum Ventilhub schematisch dargestellt. Die Darstellung zeigt deutlich, daß der Druck im Gasauslaßkanal im Bereich vor der Engstelle 14 zum Öffnungszeitpunkt deutlich ansteigt. Das Druckniveau im Auslaßkanal zum Zeitpunkt "Auslaß öffnet" kann durch eine gezielte Phasenlage der Druckschwingungen im Abgassystem beeinflußt werden.
• Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, das Abgassystem beispielsweise durch eine gezielte Längenauslegung der Rohrgeometrien und eine gezielte Auslegung der Behältervolumina (Katalysator, Schalldämpfer) und/oder durch Einbauten im Bereich hinter dem Gasauslaßventil und/oder hinter der Engstelle 14 so zu gestalten, daß das durch den Auslaßstoß angeregte Druckwellenspiel des gleichen oder aber auch eines anderen Zylinders reflektiert wird und mit einer über dem Druckniveau liegenden höheren Druckphase, d. h. einem "Druckberg" zum Zeitpunkt des frühen Öffnens des betroffenen Gasauslaßventils auf das sich öffnende Gasauslaßventil bzw. auf die Engstelle auslaßseitig aufläuft und dadurch zu einem noch schnelleren Druckaufbau außen vor dem Ventilsitz bzw. im Raum zwischen Ventilsitz 3 und Engstelle 14 durch die aus dem Zylinderraum in Gegenrichtung strömenden Gase führt.
• Die Einbauten können durch Blenden oder dergl. vor oder am Eintritt eines Katalysators oder eines Schalldämpfers vorgesehen sein. Bei einer Konzeption mit zwei Gasauslaßventilen, beispielsweise gem. Fig. 3, kann ein derartiger Einbau jeweils an einer Zusammenführung der beiden Gasauslaßkanäle 13.1 und 13.2 angeordnet sein. Die Auslegung des Abgassystems einschließlich der gezielten Druckerhöhung zum Öffnungszeitpunkt durch ein Druckwellenspiel erfolgt zweckmäßigerweise so, daß dieser Vorgang bei "kritischen" hohen Drehzahlen erfolgt, d. h. bei Drehzahlen, bei denen der elektromagnetische Aktuator nicht mehr in der Lage ist, das Gasauslaßventil zeitgenau wieder in seine Schließstellung zu bringen, wenn durch einen hohen Zylinderinnendruck zuvor das Gasauslaßventil vom Aktuator verzögert geöffnet wurde.
• Die Ausnutzung des Druckwellenspiels, das im wesentlichen auf Resonanzerscheinungen im Abgassystem beruht, kann ohne oder mit der Anordnung einer Engstelle erfolgen.

Claims (11)

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Gasauslaßventil (2) je Zylinder (1), das durch einen von einer Motorsteuerung voll-variabel steuerbaren Aktuator (7), insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator betätigt wird und durch das der Zylinderinnenraum entsprechend dem vorgegebenen Arbeitstakt gegenüber einem an einen Ventilsitz (3) anschließenden Gasauslaßkanal(13) verschließbar ist, der mit einem Abgassystem in Verbindung steht, das mit Mitteln zur Verminderung des Druckgefälles zwischen Zylinderinnenraum und dem anschließenden Gasauslaßkanal bei Öffnungsbeginn des Gasauslaßventil (2) versehen ist.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Verminderung des Druckgefälles im Gasauslaßkanal (13) eine Engstelle (14) vorgesehen ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Engstelle (14) im Nahbereich des Ventilsitzes (3) angeordnet ist.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Engstelle (14) im geringen Abstand zum Ventilsitz (3) angeordnet ist.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Gasauslaßkanals im Bereich der Engstelle vom Ausgangsquerschnitt bis zum engsten Querschnitt stufenlos vermindert.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung der Abgase sich in dem an die Engstelle (14) anschließenden Bereich über eine Teillänge des Auslaßkanals (13) diffusorartig erweitert.

7. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Engstelle (14) in etwa im Bereich unmittelbar hinter der Führung des Ventilschaftes (5) angeordnet ist.

8. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung von zwei Gasauslaßventilen (2.1, 2.2) je Zylinder die beiden Gasauslaßkanäle in einen gemeinsamen Kanal zusammengeführt werden, wobei die Engstelle (14) im Bereich der Zusammenführung angeordnet ist.

9. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung von zwei Gasauslaßventilen (2.1, 2.2) je Zylinder ein Gasauslaßkanal (13.1) eine Engstelle (14) aufweist und ein Gasauslaßkanal (13.2) ohne Engstelle ausgeführt ist.

10. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung so ausgelegt ist, daß in vorgegebenen Motorlastbereichen, insbesondere in Bereichen hoher Motorlast ein Gasauslaßventil (2.1) vor dem anderen Gasauslaßventil (2.2) geöffnet wird.

11. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgassystem mit seinen Rohrlängen und seinen Behältervolumina so ausgelegt ist und/oder mit Einbauten versehen ist, daß eine reflektierte Druckschwingung im Zeitbereich des ersten Öffnens auf das Gasauslaßventil (2) oder die Engstelle (14) mit einem "Druckberg" aufläuft.