DE102004006173A1

DE102004006173A1 - Verfahren zur Ventilsteuerung einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102004006173A1
Application number: DE102004006173A
Authority: DE
Inventors: Nunzio Dr. D'alfonso; Joachim Dr. Weiss
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2004-02-07
Filing date: 2004-02-07
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ventilsteuerung einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines mehrzylindrigen Dieselmotors, der zur Steuerung der Öffnungszeiten und Öffnungshübe der Ein- und Auslassventile eine Ventilsteuereinrichtung aufweist, wobei die Ventilsteuereinrichtung zur Vergleichmäßigung der Füllgrade und ggf. der Abgasrückführgrade der Zylinder einzelne Zylinder oder Gruppen von Zylindern hinsichtlich der jeweiligen Ventilöffnungszeiten und -öffnungshübe zylinderspezifisch unterschiedlich zu anderen Zylindern steuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ventilsteuerung einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein Verfahren, das in einem mehrzylindrigen, abgasrückgeführten Dieselmotor eingesetzt werden kann. Verbrennungskraftmaschinen haben zur Steuerung der Öffnungszeiten und Öffnungshübe der Ein- und Auslassventile in der Regel eine Ventilsteuereinrichtung, die herkömmlich ein Nockenwellensystem aufweist, das entweder unmittelbar oder mittelbar über ein Hydrauliksystem auf den Ventilschaft einwirkt und diesen gegen die Kraft einer Schließfeder in Öffnungsstellung verbringt.

Aus EP 1 273 770 A2 geht eine mehrzylindrige Dieselverbrennungskraftmaschine hervor, bei der bereits vorgesehen ist, die Ventile variabel anzusteuern. Variabel in Zusammenhang mit diesem Stand der Technik bedeutet, dass zur Reduzierung von schädlichen Auspuffemissionen und zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften während einer Aufwärmphase die Ventilsteuerung modifiziert gegenüber einer normalen Betriebsphase durchgeführt wird. Dabei werden alle Ventile in gleicher Weise hinsichtlich ihrer Öffnungs- und Schließzeiten beeinflusst.

Die Zylinder von mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschinen zeigen oft unterschiedliche Liefergrade und/oder auch unterschiedliche Restgasgehalte, wenn die sogenannte interne Abgasrückführung zur Reduktion der Stickoxydemission eingesetzt wird. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit ungleichmäßigen Zündabständen, sowie ungleichen bzw. asymmetrischen Luft- und Auspuffrohren auf, die aus Einbaugründen unterschiedliche Durchmesser und/oder unterschiedliche Wirklängen haben können. Unterschiedliche Liefergrade und/oder Restgasgehalte zeigen sich insbesondere in solchen Fällen, bei denen die interne Abgasrückführung mit einer Voröffnung des Einlassventils und/oder Nachöffnung des Auslassventils zur Erreichung hoher Abgasrückführraten ausgelegt ist. In solchen Fällen zeigen sich die Konsequenzen der unterschiedlichen Druckverläufe vor den Ein- und Auslassventilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ventilsteuerung einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine anzugeben, durch welches die Liefergrade, Restgasgehalte und ggf. die internen Abgasrückführraten für die jeweiligen Motorzylinder vergleichmäßigt sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ventilsteuereinrichtung zur Vergleichmäßigung der Füllgrade und ggf. der Abgasrückführgrade der Zylinder einzelne Zylinder oder Gruppen von Zylindern hinsichtlich der jeweiligen Ventilöffnungszeiten und/oder -öffnungshübe zylinderspezifisch unterschiedlich zu anderen Zylindern steuert. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 – 17, Ansprüche 18 – 22 und betreffen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 – 17. Anspruch 23 betrifft ein Verfahren, das an allen Arten von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden kann, nämlich 4-Takt-Motoren mit Ventilsteuerung, 2-Takt-Motoren mit Schlitzsteuerung, Drehschiebersteuerung, an Wankelmotoren etc.

Es hat sich gezeigt, dass dann, wenn man von einer kollektiven Ventilsteuerung abgeht und eine individuelle Ventilsteuerung einsetzt, bei der auf die jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere auf die Druck- und Strömungsunterschiede in den Bereichen vor den Einlassventilen und nach den Auslassventilen eingegangen wird, eine deutliche Verbesserung der Lauf- und Emissionseigenschaften einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann.

Die spezifischen Ventilsteuerungsparameter für einen Zylinder können aus den zugehörigen Strömungsparametern im Ansaug- und Abgasbereich des jeweiligen Zylinders ermittelt werden, wobei der zeitliche Verlauf der Druckverteilung im Ansaug- und Abgasbereich des jeweiligen Zylinders mit entsprechenden Parametern anderer Zylindern verglichen und daraus die Steuerungsparameter errechnet werden. Der Vergleich der Druckverteilung wird vorteilhafterweise an Zylindern durchgeführt, deren Auslassbereich in einen gemeinsamen Abgasstrang mündet, weil sich die Druckverhältnisse in den Einlass- und Auslassbereichen derartiger Zylinder gegenseitig beeinflussen.

Grundsätzlich ist es möglich, die zylinderspezifischen Öffnungszeiten und/oder Öffnungshübe durch ein Simulationsrechenverfahren zu ermitteln, das die Zündabstände zwischen den Zylindern, Druckverläufe im Auslass- und Einlassbereich und/oder Rohrlängen, Rohrquerschnitte im Abgas- und Einlassbereich berücksichtigt.

Es ist aber auch möglich, die Zylinderfüllung und AGR-Rate beeinflussenden Parameter aus einer laufenden Maschine durch Messsonden und Sensoren zu gewinnen, die in den für das Verfahren kritischen Motorbereichen angeordnet werden.

Die Ventilsteuerung kann in an sich bekannter Weise eine Nockenwelle umfassen, die zylinderspezifisch unterschiedlichen Öffnungszeiten und/oder Öffnungshübe können durch unterschiedliche Nockenformen und/oder -Nockenhöhen für die zu steuernden Zylinder erzielt werden. Grundsätzlich ist es möglich, Vor- und/oder Nachnocken zur Einstellung unterschiedlicher Ventilhubkurven und/oder -öffnungszeiten einzusetzen.

Es ist möglich, dass die Ventilsteuerungseinrichtung bezogen auf mindestens einen Zylinder keine Vor- und/oder Nachnocken aufweist, die Ventilsteuerung der übrigen Zylinder hingegen durch Vor- und/oder Nachnocken beeinflusst wird. Vor- und/oder Nachnocken der zweiten Gruppe von Zylindern können unterschiedlich ausgelegt werden.

Es ist auch möglich, die zylinderspezifische Ventilsteuerung durch eine alle Zylinder betreffende kollektive Ventilsteuereinrichtung zu überlagern, durch welche betriebszustandsabhängig die Ventilsteuerzeiten aller Zylinder beeinflusst werden, so wie dies beispielsweise in EP 1 273 770 A2 beschrieben ist. Eine hydraulische Steuerungseinrichtung erscheint dazu gut geeignet.

Es ist darüber hinaus mit Vorteil möglich, die zylinderspezifisch unterschiedliche Ventilsteuerung hinsichtlich der Steuerungsunterschiede einzelner Zylinder oder Zylindergruppen betriebszustandsabhängig zu modifizieren, mit anderen Worten Unterschiede in der Ventilsteuerung abhängig vom Betriebszustand bedarfsweise zu vergrößern oder aneinander anzugleichen.

Die Ansprüche 17 – 22 betreffen vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei Verbrennungskraftmaschinen mit Ventilen oder solche mit anderen Vorrichtungen zur Öffnung und/oder Schließung von Ein- und Auslassöffnungen angesprochen sind.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnungsfigur näher erläutert. Diese zeigt:
Die Ventilhubkurven der acht Zylinder eines Acht-Zylinder-Dieselmotors verteilt über zwei Zylinderbänke.
Die Zylinder 1,3, 2 und 4 bilden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Zylinderbank 1, die in der rechten Spalte dargestellten Zylinder 5, 6, 7 und 8 bilden eine zweite Zylinderbank 2. Für jeden Zylinder ist je eine Einlassventilhubkurve 3 und eine Auslassventilhubkurve 4 eingetragen, wobei in der X-Achse der Drehwinkel und in der Y-Achse der Ventilhub aufgetragen ist.
Die Zylinder 1 und 3 bzw. 2 und 4 der Zylinderbank 1 sowie die Zylinder 5 und 6 bzw. 7 und 8 der Zylinderbank 2 sind dabei abgasseitig zu jeweils zwei Abgassträngen zusammengefasst, die in zweiflutige Abgasturbinen münden.
Zur angestrebten Vergleichmäßigung der Liefergrade, Restgasgehalte und internen Abgasrückführraten für die Motorzylinder 1 – 8 unterscheiden sich die Ventilhubkurven der unterschiedlichen Zylinder deutlich. Bei Zylinder 1 ist z.B. die Ventilhubkurve 3 des oder der Einlassventile mit einem Vornocken versehen, die Ventilhubkurve 4 des Auslassventils hingegen nicht. Bei Zylinder 2 ist die Ventilhubkurve 3 des Einlassventils ohne Vor- oder Nachnocken gebildet, die Ventilhubkurve 4 des Auslassventils hingegen zeigt die Einwirkung eines Nachnockens. Genauso verhält es sich mit den Zylindern 3 und 4.
Die Ventilhubkurven der zweiten Zylinderbank 2 stellen sich wie folgt dar: bei Zylinder 6 zeigt die Ventilhubkurve des Einlassventils die Einwirkung eines Vornockens, die Ventilhubkurve 4 des Auslassventils ist hingegen weder durch einen Vor- noch einen Nachnocken zusätzlich beeinflusst.
Die Ventilhubkurven 3 der Zylinder 5, 7 und 8 sind von Vor- und Nachnocken unbeeinflusst, die Ventilhubkurven 4 des Auslassventils hingegen zeigen die Einwirkung eines Nachnockens.
Zur Klarstellung sei festgestellt, daß bei anderen Auslegungen der Ein- und Auslassbereiche, insbesondere bei anderer Strangzusammenfassung andere Ventilhubkurven im Bereich der Erfindung liegen können.
Die in der Zeichnungsfigur verwendeten Abkürzungen haben folgende Bedeutung, bezogen auf Zylinder 1:

Claims

Verfahren zur Ventilsteuerung einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines mehrzylindrigen Dieselmotors, der zur Steuerung der Öffnungszeiten und Öffnungshübe der Ein- und Auslassventile eine Ventilsteuereinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinrichtung zur Vergleichmäßigung der Füllgrade und/oder der Abgasrückführgrade der Zylinder die Ein- und Auslassventile einzelner Zylinder oder Gruppen von Zylindern zylinderspezifisch steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinrichtung einzelne Zylinder oder Gruppen von Zylindern hinsichtlich der jeweiligen Ventilöffnungszeiten und/oder -öffnungshübe zylinderspezifisch unterschiedlich zu anderen Zylindern steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzeiten der Ein- und/oder Auslassöffnungen der Zylindereinheiten individuell auf die durch die Geometrie der Gassysteme und den Betriebszustand der Maschine hervorgerufenen Druckpulsationen an den Ein- und/oder Auslassventilöffnungen im Sinne einer Vergleichmäßigung der individuellen Zylinderfüllung abgestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifischen Steuerzeiten durch Berechnungen der Druckpulsationen festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckpulsationen gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerzeiten zylinderspezifisch durch bekannte Mittel im Motorbetriebskennfeld verändert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Ventilsteuerungsparameter für einen Zylinder aus den zugehörigen Strömungsparametern im Ansaug- und Abgasbereich des jeweiligen Zylinders ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Druckverteilung im Einlass- und Auslassbereich des jeweiligen Zylinders mit entsprechenden Parametern anderer Zylinder verglichen wird und daraus die Steuerungsparameter ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich an Zylindern durchgeführt wird, deren Auslassbereich in einen gemeinsamen Abgasstrang und/oder in eine gemeinsame Abgasturbine mündet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifischen Öffnungszeiten und Öffnungshübe durch ein Simulationsrechenverfahren ermittelt werden, welches Zündabstände zwischen den Zylindern, Druckverteilungen im Auslass- und Ansaugbereich und/oder Rohrlängen, Rohrquerschnitte im Abgas- und Ansaugbereich berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinrichtung in an sich bekannter Weise eine Nockenwelle umfasst und die zylinderspezifisch unterschiedlichen Öffnungszeiten und Öffnungshübe durch unterschiedliche Nockenformen, Nockenlagen und/oder Nockenhöhen erzielt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Vor- und Nachnocken und/oder unterschiedliche Nockenformen und Nockenlagen zur Einstellung unterschiedlicher Ventilöffnungshübe und Ventilöffnungszeiten eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinrichtung bezogen auf mindestens einen Zylinder keine Vor- und Nachnocken aufweist und die Ventilsteuerung einer zweiten Gruppe von Zylindern durch Vor- und/oder Nachnocken beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- und/oder Nachnocken der zweiten Gruppe von Zylindern unterschiedlich sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Untergruppe von Zylindern hinsichtlich der Ventilsteuerung nur Vornocken aufweist und eine zweite Untergruppe von Zylindern hinsichtlich der Ventilsteuerung nur Nachnocken aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifische Ventilsteuerung durch eine alle Zylinder betreffende kollektive Ventilsteuerung überlagert wird, durch welche be triebszustandsabhängig die Ventilsteuerzeiten aller Zylinder beeinflusst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifisch unterschiedliche Ventilsteuerung hinsichtlich der Steuerungsunterschiede einzelner Zylinder oder Zylindergruppen betriebszustandsabhängig modifiziert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nämlich mehrzylindrige Verbrennungskraftmaschine, die zur Steuerung der Öffnungszeiten und Öffnungshübe der Ein- und Auslassventile eine Ventilsteuerung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinrichtung als Nockenwelle ausgebildet ist und die Nocken unterschiedlicher Zylinder oder Zylindergruppen unterschiedliche Nockenformen, Nockenhöhen und/oder Nockenlagen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken einzelner Zylinder oder Zylindergruppen mit Vor- und/oder Nachnocken versehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- und/oder Nachnocken unterschiedliche Formen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Betätigungselemente für die Ventile aufweist, die über eine elektronische Steuereinrichtung angesteuert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Einlass- und/oder Auslassöffnungen über andere Organe statt Ventile, in bekannter Art erfolgen, wie in der Schlitz/Kolben- oder in der Drehschiebertechnik wie in 2-Takt- bzw. Rotationskolbenmaschinen angewendet wird.
Verfahren zur Steuerung der Ein- und/oder Auslassöffnungen einer Verbrennungskraftmaschine mit mehr als einem Arbeitsraum, insbesondere eines mehrzylindrigen Dieselmotors mit Abgasrückführung, die zur Steuerung der Öffnungszeiten und Öffnungsquerschnitte eine Steuereinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Vergleichmäßigung der Füllgrade und/oder der Abgasrückführ/-rückhaltegrade der Arbeitsräume die Ein- und/oder Auslassöffnungen einzelner Arbeitsräume oder Gruppen von Arbeitsräumen arbeitsraumspezifisch steuert.