DE10143330A1

DE10143330A1 - Brennkraftmaschine mit einer elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE10143330A1
Application number: DE10143330A
Authority: DE
Inventors: Udo Diehl; Bernd Rosenau; Simon Kieser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2003-03-20
Also published as: WO2003027451A1

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine angegeben, die eine elektrohydraulische Ventilsteuervorrichtung (11) mit einem Fluidreservoir (14) und einer aus dem Fluidreservoir (14) gespeisten Förderpumpe (13) zur Erzeugung eines Förderstroms für die Ventilsteuerung aufweist. Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine ist ein hydraulischer Verbraucher (20) vorgesehen, der von einem überschüssigen, für die Ventilsteuerung nicht erforderlichen Förderstrom der Förderpumpe (13) gespeist wird. Vorzugsweise ist der hydraulische Verbraucher (20) ein Hydraulikmotor (23) zur hydraulischen Antriebsunterstützung eines Aufladegeräts (24), insbesondere eines Abgasturboladers (25), der Brennkraftmaschine (10) (Fig. 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit einer elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine elektrohydraulische Ventilsteuervorrichtung, wie sie beispielsweise aus der DE 198 26 047 A1 bekannt ist, ermöglicht eine variable oder vollvariable Steuerung der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine, also der Ein- und Auslaßventile in den Verbrennungszylindern der Brennkraftmaschine, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine z. B. durch Entdrosselung und Optimierung des Gaswechsels in den Verbrennungszylindern zu steigern. Die elektrohydraulische Ventilsteuervorrichtung umfaßt eine geregelte Hochdruckpumpe zur hydraulischen Druckversorgung, die das Fluid, vorzugsweise Hydrauliköl, aus einem Fluidreservoir fördert. Die Krafteinleitung auf die Gaswechselventile erfolgt hydraulisch durch sog. Aktoren oder Ventilsteller, wobei die Steuerung der Aktoren elektrisch mittels Magnetventilen durchgeführt wird.

Der Bedarf des Förder- oder Volumenstroms für die elektrohydraulische Ventilsteuervorrichtung ist für Vollast der Brennkraftmaschine ausgelegt und in Fig. 1 als Kennlinie a über den Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine dargestellt. Diese Kennlinie a ist das Auslegekriterium für die Förderpumpe, wobei die Förderkennlinie sowohl den Start als auch die Maximaldrehzahl der Brennkraftmaschine abdecken muß. Eine auf die Kennlinie a ausgelegte Förderpumpe hat die in Fig. 1 strichliniert dargestellt Förderkennlinie b. Wie aus dem Diagramm der Fig. 1 zu erkennen ist, liegt damit der maximal mögliche Förderstrom der Förderpumpe deutlich über dem Bedarf der elektromagnetischen Ventilsteuervorrichtung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß der überschüssige, für die Ventilsteuervorrichtung nicht benötigte Volumenstromanteil des Förderstroms, der bislang ungenutzt in das Fluidreservoir zurückgeführt oder bei Einsatz einer regelbaren Förderpumpe durch Verändern des Hubvolumens reduziert wurde, nunmehr zum Betreiben eines hydraulischen Verbrauchers in der Brennkraftmaschine genutzt wird. Damit wird die überschüssige Energie nicht vernichtet, sondern in Arbeit umgesetzt, so daß sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dem hydraulischen Verbraucher ein steuerbarer Bypass zugeordnet, wobei hierzu im Bypass ein Steuerventil angeordnet ist, das vorzugsweise von einem elektronischen Steuergerät der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung angesteuert wird. Durch diesen gesteuerten Bypass kann der hydraulische Verbraucher in gewünschten Betriebssituationen willkürlich zu- und abgeschaltet werden oder - wenn das Steuerventil nicht als Schaltventil sondern als Proportionalwegeventil ausgebildet ist - zusätzlich der durch den hydraulischen Verbraucher fließende Volumenstrom in seiner Größe beeinflußt werden.

Insbesondere bei einer als Otto- oder Dieselmotor arbeitenden Brennkraftmaschine mit einem Aufladegerät, einem sog. Lader, zur Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Luft werden wesentliche Vorteile erzielt, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der hydraulische Verbraucher als Hydraulikmotor für das Aufladegerät ausgebildet wird. Durch den in bestimmten Drehzahlbereichen an den Lader zu dessen Antrieb anschließbaren Hydraulikmotor kann die Drehmomentkennlinie der Brennkraftmaschine über den Drehzahlbereich verbessert werden. So kann durch Einschalten des z. B. mit einem Abgasturbolader verbundenen Hydraulikmotors der Abgasturbolader im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine von dem Hydraulikmotor mit höherer Drehzahl angetrieben und dadurch eine Drehmomenterhöhung der Brennkraftmaschine erreicht werden, so daß das bei Turboladern üblicherweise auftretende Turboloch mit Drehmomenteinbruch im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine vermieden wird. Insgesamt wird durch die hydraulische Unterstützung des Antriebs der Aufladegeräte der Ladeluftmitteldruck der Brennkraftmaschine erhöht und damit der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert. Anstelle der hydraulischen Antriebsunterstützung bei vorhandenen Aufladegeräten kann der Hydraulikmotor auch zum Antrieb eines separaten Verdichters in Parallelschaltung zum Aufladegerät verwendet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Hydraulikmotor und dem Aufladegerät eine nur in einer Drehrichtung ein Drehmoment übertragende Freiluftkupplung angeordnet. Dadurch ergibt sich für das als Abgasturbolader ausgebildete Aufladegerät der Vorteil, daß bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine, bei denen der Abgasvolumenstrom der Brennkraftmaschine den Abgasturbolader mit ausreichender Drehzahl antreiben kann, durch die steigende Drehzahl des Abgasturboladers der Hydraulikmotor über die Freilaufkupplung vom Abgasturbolader getrennt wird.

Wird auf eine Freilaufkupplung verzichtet und eine starre Kopplung zwischen Hydraulikmotor und Aufladegerät vorgesehen, so kann bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Drehzahlreduzierung des Aufladegeräts herbeigeführt werden, indem der Hydraulikmotor als Bremse eingesetzt wird, sozusagen als angetriebene Hydraulikpumpe wirkt. Dadurch kann das sonst übliche Ventil zur Ladedruckbegrenzung, das sog. Wastegate, eingespart werden.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm des Volumenstrombedarfs einer elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung und Abgasturbolader.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 2 als Block 10 dargestellte Brennkraftmaschine weist in bekannter Weise mehrere, z. B. vier, Verbrennungszylinder auf, die jeweils mit zwei, drei oder vier Gaswechselventilen für den Gaswechsel während des Verbrennungsvorgangs versehen sind. Zur Steigerung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine, z. B. durch Entdrosselung und Optimierung des Gaswechsels, werden die Gaswechselventile von einer elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 gesteuert, die den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens der Gaswechselventile, den Öffnungshub und die Schließgeschwindigkeit der Gaswechselventile an die momentanen Anforderungen anpaßt. Die Krafteinleitung auf die Gaswechselventile erfolgt hydraulisch und die Steuerung des Kraftflusses elektrisch mittels Magnetventile, die von einem elektronischen Steuergerät 12 angesteuert werden. Aufbau und Funktionsweise der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 ist für ein Gaswechselventil in der DE 198 26 047 A1 beschrieben. Wie dort zu entnehmen ist, wird jedes Gaswechselventil von einem hydraulischen Aktor oder Ventilsteller betätigt, der seinerseits von zwei Magnetventilen gesteuert wird. Der erforderliche Hydraulikstrom, vorzugsweise Öl, im folgenden Fluid genannt, wird von einer als Hochdruckpumpe ausgebildeten Förderpumpe 13 zur Verfügung gestellt, die ständig das Fluid aus einem Fluidreservoir 14 entnimmt und in eine Förderleitung 15 fördert, an der ein Druckspeicher zur Energiespeicherung und Ausgleich von Druckschwankungen angeschlossen ist. Das Fluid wird nach Durchlaufen der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 wieder in das Fluidreservoir 14 zurückgeführt. Die Förderpumpe 13 kann als Konstant- oder Verstellpumpe ausgebildet sein, also ein konstantes oder regelbares Hubvolumen besitzen.
Der von der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 benötigte Förder- oder Fluidvolumenstrom ist über den Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in Fig. 1 als Kennlinie a dargestellt. Der Fluidbedarf pro Zeiteinheit der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 bezieht sich auf den Fall der Vollast. Die Kennlinie a in Fig. 1 ist ein Auslegungskriterium für die Förderpumpe 13, deren Förderkennlinie sowohl den Start als auch die Maximaldrehzahl abdecken können muß. Die entsprechend dem Fluidbedarf pro Zeiteinheit gemäß Kennlinie a ausgelegte Förderpumpe 13 weist die in Fig. 1 strichliniert eingezeichnete Förderkennlinie b auf. Deutlich ist zu sehen, daß der maximal mögliche Förderstrom (Volumen pro Zeiteinheit) der Pumpe 13 über den Bedarf der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 liegt. So werden z. B. bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 von ca. 5000 min^-1 von der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung 11 ca. 7 l/min weniger benötigt als die Förderpumpe 13 bei dieser Drehzahl fördert. Dieser überschüssige Förder- oder Fluidvolumenstrom wird nunmehr einem hydraulischen Verbraucher 20 mit einem Fluideinlaß 201 und einem Fluidauslaß 202 in der Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Der hierzu mit seinem Fluideinlaß 201 an der Förderleitung 15 zur Förderpumpe 13 und mit seinem Fluidauslaß 202 an einer Rücklaufleitung 16 zum Fluidreservoir 14 angeschlossen ist. Um den hydraulischen Verbraucher 20 willkürlich zu- und abschalten zu können, ist diesem ein steuerbarer Bypass 21 zugeordnet. Der Bypass 21 ist einerseits an dem Fluideinlaß 201 des hydraulischen Verbrauchers 20 angeschlossen und mündet andererseits im Fluidreservoir 14. Die Steuerung des Bypasses 21 erfolgt mittels eines Steuerventils 22, das seinerseits von dem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert wird.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der hydraulische Verbraucher 20 ein Hydraulikmotor 23, der z. B. als hydraulischer Zahnradmotor ausgebildet sein kann. Der Hydraulikmotor 23 ist mit einem Aufladegerät 24 gekoppelt. Ein solches Aufladegerät ist als Lader bekannt und erhöht durch Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffs in den Verbrennungszylindern benötigten Luft den Luftdurchsatz der Brennkraftmaschine 10 bei gleichbleibender Motordrehzahl und ermöglicht damit eine höhere Leistungsdichte.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das Aufladegerät 24 ein sog. Abgasturbolader 25 mit einer Turbine 26 und einem Verdichter 27, die auf einer gemeinsamen Welle 28 sitzen. Die im Abgasstrom 29 angeordnete Turbine 26 nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters 27, der Frischluft ansaugt und die vorverdichtete Luft über die Leitung 30 in die Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine 10 drückt. Der Hydraulikmotor 23 ist über eine Freilaufkupplung 31 mit der Welle 28 drehfest verbunden. Die Freilaufkupplung 31 kann ein Drehmoment nur in einer Richtung übertragen, und zwar vom Hydraulikmotor 23 zur Welle 28 des Abgasturboladers 25.
Im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 10 hat der Abgasturbolader 25 eine geringe Förderleistung, so daß es im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 10 zu einem Drehmomenteinbruch der Brennkraftmaschine kommt, was als sog. Turboloch bezeichnet wird. Dieser Drehmomenteinbruch bei niedrigen Drehzahlen über Startdrehzahl wird nunmehr dadurch verhindert, daß das Steuerventil 22, das im Ausführungsbeispiels der Fig. 2 als Schaltventil, und zwar als 2/2-Wegemagnetventil mit Federrückstellung, ausgebildet ist von dem elektronischen Steuergerät 12 umgesteuert wird, so daß der Bypass 20 geschlossen ist. Damit fließt der gesamte überschüssige Förderstrom über den Hydraulikmotor 23, und das dabei entstehende Drehmoment wird über die Freilaufkupplung 31 auf die Welle 28 übertragen, so daß die Drehzahl des Abgasturboladers 25 erhöht wird. Bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine 10, bei denen der Abgasvolumenstrom der Brennkraftmaschine 10 den Abgasturbolader 25 mit ausreichend hoher Drehzahl antreibt, wird durch das elektronische Steuergerät 12 das Steuerventil 22 in die unbestromte Ausgangsstellung zurückgesetzt. Im Falles des Einsatzes einer Konstantförderpumpe fließt überschüssiger Fluidvolumenstrom über den Bypass 21 in das Fluidreservoir 14 ab. Im Falle des Einsatzes einer regelbaren Förderpumpe wird der Fluidvolumenstrom entsprechend reduziert. Durch die Freilaufkupplung 31 wird der Hydraulikmotor 23 von dem Abgasturbolader 25 abgekoppelt.
Wird auf die Freilaufkupplung 31 verzichtet und der Hydraulikmotor 23 starr mit der Welle 28 des Abgasturboladers 25 verbunden, so kann mit Hilfe des Hydraulikmotors 23 die Drehzahl des Abgasturboladers 25 bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 reduziert und dadurch der Ladedruck des Abgasturboladers 25 begrenzt werden. In diesem Fall bleibt der Bypass 21 bei den höheren Drehzahlen gesperrt, so daß der nunmehr vom Abgasturbolader 25 angetriebene Hydraulikmotor 23 als Bremse wirkt. Das üblicherweise zur Ladedruckbegrenzung benutzte Ventil (Wastegate) kann damit eingespart werden. Die Bremswirkung des Hydraulikmotors 23 kann feinfühlig eingestellt werden, wenn anstelle des Schaltventils 32 ein Proportionalwegemagnetventil als Steuerventil 22 im Bypass 21 verwendet wird.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann der Hydraulikmotor 23 auch zur hydraulischen Unterstützung bei mechanisch angetriebenen Kompressoren oder anderen Verdichtern verwendet werden. Auch kann der Hydraulikmotor 23 als Antrieb für einen Verdichter in Parallelschaltung zur konventionellen Aufladung der Brennkraftmaschine 10 verwendet werden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einer elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung (11), die ein Fluidreservoir (14) und eine aus dem Fluidreservoir (14) gespeiste Förderpumpe (13) zur Erzeugung eines Fluidvolumenstroms für die Ventilsteuerung aufweist, gekennzeichnet durch einen von einem überschüssigen Fluidvolumenstrom der Förderpumpe (13) gespeisten hydraulischen Verbraucher (20).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem hydraulischen Verbraucher (20) ein steuerbarer Bypass (21) zugeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (21) ein Steuerventil (22) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (22) von einem elektronischen Steuergerät (12) der elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung (11) angesteuert ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (22) ein Schaltventil (32), vorzugsweise ein 2/2-Wegemagnetventil mit Federrückstellung, ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Verbraucher (20) einen Fluideinlaß (201) und einen Fluidauslaß (202) aufweist und daß der Fluideinlaß (201) mit dem Auslaß der Förderpumpe (13) und der Bypass (21) mit dem Fluideinlaß (201) des hydraulischen Verbrauchers (20) und dem Fluidreservoir (14) in Verbindung steht.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Verbraucher (20) ein Hydraulikmotor (23) ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikmotor (23) mit einem Aufladegerät (24) zur Verdichtung der von der Brennkraftmaschine (10) benötigten Verbrennungsluft gekoppelt ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hydraulikmotor (23) und dem Aufladegerät (24) eine ein Drehmoment nur in eine Drehrichtung übertragende Freilaufkupplung (31) angeordnet ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufladegerät (24) ein Abgasturbolader (25) ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderpumpe (13) bezüglich ihres Fördervolumens regelbar ausgebildet ist.