DE102009015639A1

DE102009015639A1 - Brennkraftmaschine und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102009015639A1
Application number: DE102009015639A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Voss
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren Zylindern, denen jeweils zumindest ein Auslassventil und zumindest zwei Einlassventile, nämlich ein erstes Einlassventil und ein zweites Einlassventil, zugeordnet sind, mit einem variablen Einlassventiltrieb zum Betätigen der Einlassventile und zum Verstellen von Ventilhüben und Ventilsteuerzeiten der Einlassventile und mit einem variablen Auslassventiltrieb zum Betätigen der Auslassventile und zum Verstellen von Ventilhüben und Ventilsteuerzeiten der Auslassventile.
Um die Variationsmöglichkeiten der Ladungswechselvorgänge zu vergrößern und um die Adaption derselben an variierende Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu verbessern, kann eine Brennraummaskierung je Zylinder dem jeweiligen ersten Einlassventil zugeordnet sein, während eine Drallklappe je Zylinder dem jeweiligen zweiten Einlassventil zugeordnet sein kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
Aus der DE 10 2005 029 077 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bekannt, bei der für wenigstens ein Einlassventil eine Maskierung, variable Einlass- und Auslasssteuerzeiten sowie eine Nockenwellenphasenverstellung für die Einlass- und Auslassseite vorgesehen sind. Durch entsprechende Variation von zumindest der Öffnungsdauer der Einlassventile sowie der Steuerzeiten der Gaswechselventile sollen optimale Werte für niedrigen Verbrauch und hohe Leistung erzielt werden. Ferner soll auch ein Restgasgehalt in den Zylindern dadurch variiert werden können, dass variable Auslasssteuerzeiten und variable Auslassventilhübe mit variablen Einlasssteuerzeiten kombiniert werden.
Aus der DE 699 06 669 T2 ist eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bekannt, bei der ein Einlassluftsteuerventil in einer Ansaugöffnung angeordnet ist.
Aus der DE 10 2007 018 917 A1 ist eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bekannt, bei der Einlasskanäle vorgesehen sind, die zu maskierten Einlassöffnungen führen. In diesen Einlasskanälen sind Zusatzventile angeordnet.
Aus der DE 198 53 412 A1 ist eine weitere fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bekannt, bei der eine Ventilabschaltung in bestimmten Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine erfolgt, um die Luftbewegung im Brennraum zu intensivieren.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass durch eine hochgradige oder erhöhte Variabilität Möglichkeiten geschaffen werden, Kraftstoffverbräuche, Emissionswerte und Leistungswerte zu optimieren, wobei ferner eine Möglichkeit aufgezeigt werden soll, die geschaffenen Variabilitäten abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine anzuwenden, um die genannten optimierten Werte zu verwirklichen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung an der Einlassseite und an der Auslassseite mit einem variablen Ventiltrieb zum Verstellen von Ventilhüben und zum Verstellen von Ventilsteuerzeiten auszustatten, ein erstes Einlassventil je Zylinder mit einer Brennraummaskierung auszustatten und einem zweiten Einlassventil je Zylinder eine Drallklappe zuzuordnen. Die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglichen eine hochgradige Variabilität zur Beeinflussung der Gaswechselvorgänge, was zum Einstellen optimierter Werte für Schadstoffemission, Kraftstoffverbrauch und Antriebsleistung genutzt werden kann. Beispielsweise ergibt sich so für einen Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine die Möglichkeit, die Drallklappe permanent zu schließen, für die Einlassventile und für die Auslassventile jeweils die kleinen Ventilhübe einzustellen und für die Einlassventile sowie für die Auslassventile die Öffnungszeitfenster eines Ausgangszustands einzustellen. Durch die geschlossene Drallklappe erhalten die Zylinder nur über das jeweilige erste Einlassventil Frischluft. Die Frischluftzufuhr durch das jeweilige erste Einlassventil wird dadurch beschleunigt und eine Drall-/Tumbleströmung im Brennraum erzeugt. Insgesamt muss die Frischluftanlage für den Leerlaufbetrieb weniger gedrosselt werden, was die Ladungswechselverluste insgesamt reduziert.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Einlassventiltrieb so ausgestaltet sein, dass für die Einlassventile jeweils große Ventilhübe und kleine Ventilhübe einstellbar sind, und zwar so, dass der große Ventilhub des jeweiligen ersten Einlassventils gleich groß ist wie der große Ventilhub des jeweiligen zweiten Einlassventils, während der kleine Ventilhub des ersten Einlassventils kleiner ist als der kleine Ventilhub des zweiten Einlassventils. Durch Variieren der Ventilhübe kann ein Öffnungszeitfenster des jeweiligen Ventils vergrößert und verkleinert werden. Dies kann zum Anpassen der Frischluftbeladung an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine genutzt werden. Durch die Zuordnung des kleineren kleinen Ventilhubs zum jeweiligen ersten Einlassventil lassen sich für den Leerlaufbetrieb besonders kleine Frischluftmengen einstellen, auch wenn die Frischluftleitung stromauf der Einlassventile nur relativ wenig gedrosselt oder sogar entdrosselt ist. Erst bei geöffneter Drallklappe wird der größere kleine Ventilhub des jeweiligen zweiten Ventils aktiviert. Durch die Bereitstellung von zwei unterschiedlichen kleinen Ventilhüben für die beiden Einlassventile lassen sich die Variationsmöglichkeiten für die Gaswechselvorgänge erhöhen.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Einlassventiltrieb so ausgestaltet sein, dass sich durch das Verkleinern des Ventilhubs der Schließzeitpunkt des jeweiligen Einlassventils nach früh verschiebt, während der Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Einlassventils im Wesentlichen konstant bleibt. Das bedeutet, dass die Ventilhübe hinsichtlich des erzielbaren Öffnungszeitfensters nicht symmetrisch variiert werden, sondern so, dass im Wesentlichen nur der Schließzeitpunkt verstellt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, um mit möglichst geringen Verlusten die Frischluftmenge variieren zu können.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Einlassventiltrieb so ausgestaltet sein, dass die Ventilhübe der ersten Einlassventile und die Ventilhübe der zweiten Einlassventile unabhängig voneinander verstellbar sind. Die Variabilität der realisierbaren Gaswechselvorgänge kann durch diese Maßnahme signifikant gesteigert werden. Hierdurch kann die Anpassung der Gaswechselprozesse an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders,
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Schaltstrategie einer Steuerung der Brennkraftmaschine,
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung variierender Ventilhübe und Ventilsteuerzeiten.
Entsprechend 1 umfasst eine nur teilweise dargestellte Brennkraftmaschine 1, die sich insbesondere in einem Kraftfahrzeug befindet, mehrere Zylinder 2, von denen in 1 jedoch nur einer exemplarisch dargestellt ist. Der jeweilige Zylinder 2 weist zumindest ein Auslassventil auf. Im Beispiel sind zwei Auslassventile 3 und 4 dargestellt. Grundsätzlich sind jedoch auch Bauformen mit nur einem einzigen Auslassventil oder mit mehr als zwei Auslassventilen denkbar. Ferner sind je Zylinder 2 zumindest zwei Einlassventile vorgesehen, nämlich zumindest ein erstes Einlassventil 5 und zumindest ein zweites Einlassventil 6. Theoretisch sind auch mehr als zwei Einlassventile möglich.
Den Einlassventilen 5, 6 ist ein variabler Einlassventiltrieb 7 zugeordnet, der zum Betätigen der Einlassventile 5, 6 sowie zum Verstellen von Ventilhüben und Ventilsteuerzeiten der Einlassventile 5, 6 ausgestaltet ist. Beispielsweise kann der Einlassventiltrieb 7 hierzu eine Verstelleinrichtung 8 aufweisen, die zum Verstellen der Ventilhübe und/oder zum Verstellen der Ventilsteuerzeiten ausgestaltet ist. Derartige Stelleinrichtungen 8 sind allgemein bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden. Ferner ist den Auslassventilen 3, 4 ein variabler Auslassventiltrieb 9 zugeordnet, der zum Betätigen der Auslassventile 3, 4 dient und der Ventilhübe und Ventilsteuerzeiten der Auslassventile 3, 4 verstellen kann. Auch der Auslassventiltrieb 9 kann hierzu mit einer geeigneten Stelleinrichtung 10 ausgestattet sein, die sich in an sich bekannter Weise zum Variieren der Ventilhübe und Steuerzeiten eignet.
Dem jeweiligen ersten Einlassventil 5 ist eine Brennraummaskierung 11 zugeordnet. Eine derartige Brennraummaskierung 11 beeinflusst die Zuströmung von Frischgas in einen Brennraum 12 des Zylinders 2, bspw. um die Ausbildung einer Tumbleströmung zu unterstützen. Im Beispiel ist die Brennraummaskierung 11 einseitig ausgeführt, dass heißt, sie ist so gestaltet, dass sie nur einem begrenzten Umfangsabschnitt des ersten Einlassventils 5 zugeordnet ist. Ferner ist die Brennraummaskierung 11 im gezeigten Beispiel so angeordnet, dass sie an einem einer Zylinderwand 13, und insbesondere einem Einlasskanal 14, zugewandten Umfangssegment des ersten Einlassventils 5 angeordnet ist.
Desweiteren ist die hier gezeigte Brennkraftmaschine 1 je Zylinder 2 mit einer Drallklappe 15 ausgestattet, die dem jeweiligen zweiten Einlassventil 6 zugeordnet ist. Dabei ist diese Drallklappe 15 nur bzw. ausschließlich dem jeweiligen zweiten Einlassventil 6 zugeordnet. Dies wird bspw. dadurch erreicht, dass der dem jeweiligen Zylinder 2 zugeordnete Einlasskanal 14, der dem Zylinder 2 Frischgas bzw. Frischluft zuführt, mittels einer Trennwand 16 in einem an den Zylinder 2 angrenzenden Endabschnitt 17 in einen ersten Einlassteilkanal 18 und einen zweiten Einlassteilkanal 19 unterteilt ist. Während der erste Einlassteilkanal 18 nur zum jeweiligen ersten Einlassventil 5 führt, führt der jeweilige zweite Einlassteilkanal 19 nur zum jeweiligen zweiten Einlassventil 6. Mit Hilfe der im zweiten Einlassteilkanal 19 angeordneten Drallklappe 15 kann somit ausschließlich der zum zweiten Einlassventil 6 führende Luftstrom gesteuert werden.
Während der mit dem ersten Einlassventil 5 gesteuerte mit Hilfe der Brennraummaskierung 11 maskierte erste Frischgaseinlass zum Generieren einer Tumbleströmung dient, kann der unmaskierte und mit dem zweiten Einlassventil 6 gesteuerte zweite Frischgaseinlass zum Generieren einer Drallströmung ausgestaltet sein, die jedoch zusätzlich mit Hilfe der Drallklappe 15 unabhängig vom zweiten Einlassventil 6 gesteuert werden kann.
Der Einlassventiltrieb 7 kann zweckmäßig so ausgestaltet sein, dass für die Einlassventile 5, 6 unterschiedlich große Ventilhübe einstellbar sind. Dabei ist für jedes Einlassventil 5, 6 ein großer Ventilhub und ein kleiner Ventilhub einstellbar. Dabei ist der Einlassventiltrieb 7 bzw. die zugehörige Stelleinrichtung 8 so ausgestaltet, dass die großen Ventilhübe der beiden Einlassventile 5, 6 gleich groß sind, während die kleinen Ventilhübe unterschiedlich sind. Dabei ist vorgesehen, den kleinen Ventilhub des ersten Einlassventils 5 kleiner zu dimensionieren als den kleinen Ventilhub des zweiten Einlassventils 6.
Besonders zweckmäßig kann dabei der Einlassventiltrieb 7 bzw. die zugehörige Stelleinrichtung 8 so ausgestaltet sein, dass beim Verändern des Ventilhubs zwar der Schließzeitpunkt des jeweiligen Einlassventils 5, 6 verschoben wird, jedoch der Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Einlassventils 5, 6 im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die Hubverstellung kann das Öffnungszeitfenster des jeweiligen Einlassventils 5, 6 somit bei im Wesentlichen konstantem Öffnungszeitpunkt vergrößert und verkleinert werden. Durch Verkleinern des Ventilhubs wird der Schließzeitpunkt des jeweiligen Einlassventils 5, 6 dabei nach früh verschoben, während eine Vergrößerung des Ventilhubs den Schließzeitpunkt des jeweiligen Einlassventils 5, 6 entsprechend nach spät verschiebt. Die Begriffe „früh” und „spät” beziehen sich dabei auf einen Kurbelwellenwinkel, kurz KWW. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher der Einlassventiltrieb 7 bzw. die zugehörige Stelleinrichtung 8 die Möglichkeit gibt, die Ventilhübe des ersten Einlassventils 5 und die Ventilhübe des zweiten Einlassventils 6 unabhängig voneinander einzustellen. Dies kann bspw. über separat angesteuerte Schaltelemente zur Variation bzw. Einstellung der Ventilhübe des jeweiligen Einlassventils realisiert werden. Ebenso sind voll variable Ventiltriebe bekannt, bei denen jedes Ventil über einen separaten Ventilsteller, insbesondere elektromagnetisch, betätigt werden kann.
Darüber hinaus ist der Einlassventiltrieb 7 bzw. die zugehörige Stelleinrichtung 8 so konfiguriert, dass es möglich ist, ein Öffnungszeitfenster des jeweiligen Einlassventils 5, 6 bezogen auf einen Ausgangszustand nach früh zu verschieben. Während im Ausgangszustand die Einlassventile 5, 6 bei einer üblichen Konfiguration dann öffnen, wenn der im jeweiligen Zylinder 2 bewegte Kolben seinen oberen Totpunkt durchfährt, kann bei einer Verstellung des Öffnungszeitfensters nach früh der jeweilige Öffnungszeitpunkt bereits vor dem oberen Totpunkt zu finden sein. Hierdurch kann komprimiertes Abgas auf die Frischgasseite gelangen, was bspw. zur Realisierung einer Vorwärmung und/oder zur Realisierung einer internen Abgasrückführung nutzbar ist. Diese interne Abgasrückführung durch entsprechende Ventilüberschneidung dient zur Beeinflussung des Restgasgehalts im jeweiligen Brennraum 12, also des Anteils an Abgas im Brennraum 12 nach der erneuten Befüllung des Brennraums 12 mit Frischgas.
Hinsichtlich der Auslassventile 3, 4 kann der zugehörige Auslassventiltrieb 9 bzw. die zugehörige Stelleinrichtung 10 so ausgestaltet sein, dass auch für die Auslassventile 3, 4 große und kleine Ventilhübe einstellbar sind. Darüber hinaus soll der Auslassventiltrieb 9 bzw. die zugehörige Stelleinrichtung 10 die Variation des Ventilhubs so realisieren können, dass sich dadurch nur ein Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Auslassventils 3, 4 verschiebt, während ein Schließzeitpunkt dabei im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die Ventilhubverstellung wird somit lediglich der Auslassbeginn verändert, bspw. um die Restgasmenge zu beeinflussen, und die Expansionsverluste zu verringern. Weiterhin werden die Reibungsverluste im Ventiltrieb durch die kleinen Ventilhübe minimiert.
Entsprechend 1 kann die Brennkraftmaschine 1 ferner mit einer Steuerung 20 ausgestattet sein, die zum Steuern der Ventiltriebe 7, 9 sowie der Drallklappe 15 dient. Die Steuerung 20 steht dementsprechend über geeignete Steuerleitungen 21 mit den Stelleinrichtungen 8, 10 der Ventiltriebe 7, 9 sowie mit einer Stelleinrichtung 22 zum Betätigen der Drallklappe 15 in Verbindung. Diese Steuerung 20 kommuniziert außerdem mit einem hier nicht dargestellten Motorsteuergerät. Insbesondere kann die Steuerung 20 in dieses Motorsteuergerät hardwaremäßig integriert und/oder softwaremäßig implementiert sein. Jedenfalls ist die Steuerung 20 so ausgestaltet bzw. so programmiert, dass sie die Brennkraftmaschine 1 nach dem nachfolgend mit Bezug auf die 2 und 3 näher beschriebenen Verfahren betreiben kann.
Im Diagramm der 2 ist auf der Ordinate ein effektiver Mitteldruck Pm_eff aufgetragen, während auf der Abszisse eine Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen ist. In diesem Diagramm trennt eine erste Trennlinie 23 oder Schaltlinie 23 einen Leerlaufbetrieb I, der sich unterhalb der ersten Schaltlinie 23 befindet, von einem Teillastbetrieb II mit unterer Teillast, der sich oberhalb der ersten Schaltlinie 23 befindet. Eine zweite Trennlinie 24 oder Schaltlinie 24 trennt den Teillastbetrieb II mit unterer Teillast, der sich unterhalb der zweiten Schaltlinie 24 befindet, von einem Teillastbetrieb III mit mittlerer Teillast, der sich oberhalb der zweiten Schaltlinie 24 befindet. Eine dritte Schaltlinie 25 oder Trennlinie 25 trennt den Teillastbetrieb III mit mittlerer Teillast, der sich unterhalb dieser dritten Schaltlinie 25 befindet, von einem Teillastbetrieb IV mit oberer Teillast, der sich oberhalb der dritten Schaltlinie 25 befindet. Weiter trennt eine vierte Schaltlinie 26 oder Trennlinie 26 den Teillastbetrieb IV mit oberer Teillast, der sich unterhalb der vierten Schaltlinie 26 befindet, von einem Volllastbetrieb V mit unterer Drehzahl, der sich oberhalb der vierten Schaltlinie 26 befindet. Dieser Volllastbetrieb V mit unterer Drehzahl ist über eine fünfte Trennlinie 27 oder Schaltlinie 27 von einem Volllastbetrieb VI mit mittlerer und oberer Drehzahl getrennt. Dabei befindet sich der Volllastbetrieb V mit unterer Drehzahl unterhalb bzw. im Diagramm der 2 links von der fünften Schaltlinie 27, während sich der Volllastbetrieb VI mit mittlerer und oberer Drehzahl oberhalb bzw. rechts von der fünften Schaltlinie 27 befindet. Die zuvor genannte Steuerung 20 kann nun die Brennkraftmaschine 1 in diesen unterschiedlichen Betriebszuständen I bis VI betreiben.
In 3 sind links verschiedene Ventilerhebungskurven der Auslassventile 3, 4 wiedergegeben, während rechts unterschiedliche Ventilerhebungskurven der Einlassventile 5, 6 wiedergegeben sind. Die Abszisse des Diagramms der 3 gibt die Kurbelwellenwinkel wieder, wobei 0° KWW beim oberen Totpunkt des Ladungswechselvorgangs positioniert ist. Links davon finden sich negative Kurbelwellenwinkel, in denen die Hubverlaufskurven der Auslassventile 3, 4 liegen, während die Hubverlaufskurven der Einlassventile 5, 6 im Wesentlichen bei positiven Kurbelwellenwinkeln liegen. Auf der Ordinate ist im Diagramm der 3 der Ventilhub hv aufgetragen. Dabei sind die realisierten Absolutwerte rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit zu verstehen.
Für die Auslassventile 3, 4 deutet ein vertikaler Pfeil 28 eine Hubverstellung zwischen großen Ventilhüben und kleinen Ventilhüben an. Die Verlaufskurven für die großen Ventilhübe der Auslassventile 3, 4 sind dabei mit 29 und 30 bezeichnet, während die Verlaufskurven der kleinen Ventilhübe der Auslassventile 3, 4 mit 31 bezeichnet sind. Erkennbar sind zwei unterschiedlich große Ventilhübe, nämlich ein größerer großer Ventilhub 29 und ein kleinerer großer Ventilhub 30 für die Auslassventile 3, 4 realisierbar. Beispielsweise können verschiedenen Zylindern 2 unterschiedlich große Auslassventilhübe 29, 30 zugeordnet werden. Insbesondere ist denkbar, bei einem Acht-Zylinder-Motor den Zylindern 3, 4, 5, 7 den größeren großen Ventilhub 29 zuzuordnen und den Zylindern 1, 2, 6, 8 den kleineren großen Ventilhub 30 zuzuordnen.
Des Weiteren ist für die Auslassventile 3, 4 mit horizontalen Pfeilen 32 eine Phasenverschiebung angedeutet, die es ermöglicht, die Ventilerhebungskurven 29, 30, 31 entlang der Abszisse zu verschieben. Dabei werden die Steuerzeiten, insbesondere ein nicht näher bezeichnetes Öffnungszeitfenster der Auslassventile 3, 4 bezogen auf den links dargestellten Ausgangszustand nach rechts verschoben, also nach spät. Die Verschiebung beträgt dabei ca. 40° KWW. Die nach spät verschobenen Ventilerhebungskurven werden für die großen Ventilhübe mit 29' bzw. 30' und für die kleinen Ventilhübe mit 31' bezeichnet. Bemerkenswert ist dabei, dass die Hubverstellung vorteilhafterweise so durchgeführt wird, dass sich das durch den zeitlichen Abstand zwischen einem Öffnungszeitpunkt und einem Schließzeitpunkt definierte Öffnungszeitfenster des jeweiligen Auslassventils 3, 4 im Wesentlichen hinsichtlich seines Öffnungszeitpunkts verändert. Zumindest ist die Verschiebung des Öffnungszeitpunkts stärker ausgeprägt als die Verschiebung des Schließzeitpunkts. Die weiter links dargestellten Ventilerhebungskurven 29, 30, 31 der Auslassventile 3, 4, also die nach früh verstellten Ventilerhebungskurven 29, 30, 31 der Auslassventile 3, 4 definieren dabei einen Ausgangszustand.
Entsprechendes gilt nun für die Einlassventile 5, 6. Eine Ventilerhebungskurve 33 beschreibt den Hubverlauf der großen Ventilhübe der Einlassventile 5, 6. Die kleinen Ventilhübe sind durch Verlaufskurven 34, 35 beschrieben. Erkennbar sind dabei zwei unterschiedlich große kleine Ventilhübe realisierbar. Der kleinere Ventilhub 34 ist dabei dem ersten Einlassventil 5 zugeordnet, während der größere Ventilhub 35 dem zweiten Einlassventil 6 zugeordnet ist. Im Unterschied dazu sind die großen Ventilhübe 33 der beiden Einlassventile 5, 6 gleich groß. Ein vertikaler Pfeil 36 deutet dabei die Verstellbarkeit zwischen den einzelnen Ventilhüben 33, 34, 35 an. Bemerkenswert ist auch hier, dass die Hubverstellung sich im Wesentlichen nur auf ein Ende des Öffnungszeitfensters auswirkt, nämlich auf den Schließzeitpunkt, während der Öffnungszeitpunkt der Einlassventile 5, 6 während der Hubverstellung im Wesentlichen konstant bleibt. Das bedeutet, dass durch die Variation des Ventilhubs bei den Einlassventilen 5, 6 der Öffnungszeitpunkt im Wesentlichen konstant bleibt, während der Schließzeitpunkt stark variiert. Ferner sind für die Einlassventile 5, 6 durch horizontale Pfeile 37 Phasenverschiebungen angedeutet, mit denen die Ventilerhebungskurven 33, 34, 35 entlang der Abszisse verschiebbar sind. Dabei ist eine Verschiebung in Richtung früh, also zu kleineren Kurbelwellenwinkeln realisierbar. Beispielsweise ist eine Verschiebung um ca. 50 bis 60° KWW denkbar. Die nach früh verschobenen Ventilerhebungskurven der Einlassventile 56 sind mit 33', 34', 35' bezeichnet. Die weiter rechts dargestellten, also späten Erhebungskurven 33, 34, 35 definieren dabei einen Ausgangszustand für die Einlassventile 5, 6.
Im Leerlaufbetrieb I wird die Drallklappe 15 permanent geschlossen gehalten, so dass keine Frischluftzufuhr durch das zweite Einlassventil 6 möglich ist. Ferner werden im Leerlaufbetrieb I für die Einlassventile 5, 6 und für die Auslassventile 3, 4 jeweils die kleinen Ventilhübe eingestellt.
Mit Bezug auf 3 bedeutet dies, dass im Leerlaufbetrieb I die Einlassventile 5, 6 und die Auslassventile 3, 4 mit ihren kleinen Ventilhüben 31, 34, 35 betrieben werden. Desweiteren werden für die Einlassventile 5, 6 und für die Auslassventile 3, 4 die Öffnungszeitfenster des Ausgangszustands eingestellt. In diesem Ausgangszustand schließen die Auslassventile 3, 4 im Bereich des oberen Totpunkts, vorzugsweise am oberen Totpunkt oder kurz danach, also in etwa bei 0° KWW, während die Einlassventile 5, 6 im Bereich des oberen Totpunkts, also etwa bei 0° KWW öffnen. Dabei kann eine geringe Ventilüberschneidung erwünscht sein.
Um zum Teillastbetrieb II mit unterer Teillast zu gelangen, werden die Öffnungszeitfenster für die Einlassventile 5, 6 bezogen auf den Ausgangszustand nach früh verschoben, während gleichzeitig die Öffnungszeitfenster für die Auslassventile 3, 4 bezogen auf den Ausgangszustand nach spät verschoben werden. Die übrigen Einstellungen bleiben erhalten. Insbesondere bleibt somit die Drallklappe 15 verschlossen und die Einlassventile 5, 6 sowie die Auslassventile 3, 4 werden mit ihren kleinen Ventilhüben 31', 34', 35' betrieben. Durch die Verschiebung der Steuerzeiten der Auslassventile 3, 4 nach spät und der Einlassventile 5, 6 nach früh ergibt sich eine signifikant vergrößerte Überschneidung der Öffnungszeiten im Bereich des oberen Totpunkts. Diese Überschneidung kann bspw. von –40° KWW bis +20° KWW reichen. Diese Überschneidung ermöglicht einen vergleichsweise großen Restgasanteil im Brennraum 12. Darüber hinaus wird durch das frühe Schließen des Einlassventils bei einem kleinen Hub eine vorteilhafte Entdrosselung ermöglicht bzw. verstärkt.
Um nun vom Teillastbetrieb II mit unterer Teillast in den Teillastbetrieb III mit mittlerer Teillast zu wechseln, wird lediglich die Drallklappe 15 in einen Offenzustand verstellt und darin offen gehalten. In der Folge kann nun auch über den zweiten Einlassteilkanal 19 durch das zweite Einlassventil 6 Frischluft in den Brennraum 12 gelangen. Der Frischluftanteil wird dadurch erhöht. Die übrigen Einstellungen können beibehalten werden. Insbesondere sind die Öffnungszeitfenster der Einlassventile 5, 6 nach früh verstellt, während die Öffnungszeitfenster der Auslassventile 3, 4 nach spät verstellt sind, und die Ventile 3, 4, 5, 6 werden mit ihren kleinen Ventilhüben 31', 34' und 35' betätigt.
Um nun vom Teillastbetrieb III mit mittlerer Teillast in den Teillastbetrieb IV mit oberer Teillast zu gelangen, werden zum einen die Öffnungszeitfenster für die Auslassventile 3, 4 wieder nach früh in den Ausgangszustand überführt, während zum anderen die Öffnungszeitfenster für die Einlassventile 5, 6 wieder nach spät in den Ausgangszustand überführt werden. Desweiteren können entsprechend einer ersten Variante für die Auslassventile 3, 4 und für die Einlassventile 5, 6 wieder die großen Ventilhübe 29, 30, 33 eingestellt werden. Entsprechend einer optional realisierbaren zweiten Variante ist es ebenso möglich, nur für die Auslassventile 3, 4 und für das erste Einlassventil 5 die großen Ventilhübe 29, 30, 33 einzustellen, während für das zweite Einlassventil 6 weiterhin der kleine Ventilhub 35 eingestellt bleibt. Bei beiden Ausführungsformen wird im Teillastbetrieb IV mit oberer Teillast die Drallklappe 15 lastabhängig betätigt, und zwar so, dass sie zwischen ihrer Schließstellung und ihrer Offenstellung sowie wenigstens einer Zwischenstellung verstellt werden kann, die sich zwischen der Offenstellung und der Schließstellung befindet. Auf diese Weise kann die über das zweite Einlassventil 6 zugeführte Frischluftmenge über die Drallklappe 15 intensiv beeinflusst werden.
Um nun vom Teillastbetrieb IV mit oberer Teillast in den Volllastbetrieb V mit unterer Drehzahl zu wechseln, werden wieder die Öffnungszeitfenster bezogen auf den Ausgangszustand verschoben, und zwar für die Einlassventile 5, 6 nach früh und für die Auslassventile 3, 4 nach spät. Im Übrigen wird die Drallklappe 15 wie zuvor lastabhängig oder bevorzugt drehzahlabhängig betätigt. Für die Auslassventile 3, 4 und für die Einlassventile 5, 6 sind jeweils die großen Ventilhübe 29', 30', 33' eingestellt. Alternativ kann die Drallklappe 15 im Volllastbetrieb V mit unterer Drehzahl auch permanent vollständig offen gehalten werden.
Um schließlich vom Volllastbetrieb V mit unterer Drehzahl in den Volllastbetrieb VI mit mittlerer und oberer Drehzahl wechseln zu können, wird die Drallklappe 15 nun permanent geöffnet bzw. offen gehalten und die Öffnungszeitfenster der Auslassventile 3, 4 und der Einlassventile 5, 6 werden drehzahlabhängig zwischen den in 3 gezeigten maximal verstellten Zuständen und dem Ausgangszustand sowie wenigstens einem dazwischen liegenden Zwischenzustand verstellt. So werden die Auslassventile 3, 4 ausgehend vom maximal nach spät verstellten Zustand drehzahlabhängig mehr oder weniger stark in Richtung Ausgangszustand verstellt, während die Einlassventile 5, 6 ausgehend von maximal nach früh verstellten Zustand drehzahlabhängig mehr oder weniger in Richtung Ausgangszustand verstellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005029077 A1 [0002]
- DE 69906669 T2 [0003]
- DE 102007018917 A1 [0004]
- DE 19853412 A1 [0005]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, – mit mehreren Zylindern (2), denen jeweils zumindest ein Auslassventil (3, 4) und mindestens zwei Einlassventile, nämlich ein erstes Einlassventil (5) und ein zweites Einlassventil (6) zugeordnet sind, – mit einem variablen Einlassventiltrieb (7) zum Betätigen der Einlassventile (5, 6) und zum Verstellen von Ventilhüben und Ventilsteuerzeiten der Einlassventile (5, 6), – mit einem variablen Auslassventiltrieb (9) zum Betätigen der Auslassventile (3, 4) und zum Verstellen von Ventilhüben und Ventilsteuerzeiten der Auslassventile (3, 4), – mit einer Brennraummaskierung (11) je Zylinder (2), die dem jeweiligen ersten Einlassventil (5) zugeordnet ist, – mit einer Drallklappe (15) je Zylinder (2), die dem jeweiligen zweiten Einlassventil (6) zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventiltrieb (7) so ausgestaltet ist, dass für die Einlassventile (5, 6) jeweils große Ventilhübe und kleine Ventilhübe einstellbar sind, wobei der große Ventilhub des jeweiligen ersten Einlassventils (5) gleich groß ist wie der große Ventilhub des jeweiligen zweiten Einlassventils (6), während der kleine Ventilhub des ersten Einlassventils (5) kleiner ist als der kleine Ventilhub des zweiten Einlassventils (6).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventiltrieb (7) so ausgestaltet ist, dass sich durch das Verkleinern des Ventilhubs der Schließzeitpunkt des jeweiligen Einlassventils (5, 6) nach früh verschiebt, während der Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Einlassventils (5, 6) im Wesentlichen konstant bleibt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventiltrieb (7) so ausgestaltet ist, dass die Ventilhübe der ersten Einlassventile (5) und die Ventilhübe der zweiten Einlassventile (6) unabhängig voneinander verstellbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventiltrieb (7) so ausgestaltet ist, dass Öffnungszeitfenster der Einlassventile (5, 6) bezogen auf einen Ausgangszustand nach früh verschiebbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassventiltrieb (9) so ausgestaltet ist, dass für die Auslassventile (3, 4) jeweils große Ventilhübe und kleine Ventilhübe einstellbar sind und dass sich durch das Verkleinern des Ventilhubs der Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Auslassventils (3, 4) nach spät verschiebt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Zylinder (2) ein Frischluft zuführender Einlasskanal (14) zugeordnet ist, der zumindest in einem an den jeweiligen Zylinder (2) angrenzenden Endabschnitt (17) in einen zum ersten Einlassventil (5) führenden ersten Einlassteilkanal (18) und einen zum zweiten Einlassventil (6) führenden, die Drallklappe (15) enthaltenden zweiten Einlassteilkanal (19) unterteilt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (20) zum Steuern der Ventiltriebe (7, 9) und der Drallklappe (15) vorgesehen ist, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie die Brennkraftmaschine (1) entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15 betreiben kann.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leerlaufbetrieb (I) die Drallklappe (15) permanent geschlossen wird, für die Einlassventile (5, 6) und für die Auslassventile (3, 4) die kleinen Ventilhübe eingestellt werden und für die Einlassventile (5, 6) und für die Auslassventile (3, 4) die Öffnungszeitfenster des Ausgangszustands eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetrieb (II) mit unterer Teillast die Drallklappe (15) permanent geschlossen wird, für die Einlassventile (5, 6) und für die Auslassventile (3, 4) die kleinen Ventilhübe eingestellt werden und die Öffnungszeitfenster bezogen auf den Ausgangszustand für die Einlassventile (5, 6) nach früh und für die Auslassventile (3, 4) nach spät verstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetrieb (III) mit mittlerer Teillast die Drallklappe (15) permanent geöffnet wird, für die Einlassventile (5, 6) und für die Auslassventile (3, 4) die kleinen Ventilhübe eingestellt werden und die Öffnungszeitfenster bezogen auf den Ausgangszustand für die Einlassventile (5, 6) nach früh und für die Auslassventile (3, 4) nach spät verstellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetriebszustand (IV) mit oberer Teillast die Drallklappe (15) lastabhängig zwischen ihrer Schließstellung und ihrer Offenstellung und mindestens einer dazwischen liegenden Zwischenstellung verstellt wird, für die Einlassventile (5, 6) und für die Auslassventile (3, 4) die großen Ventilhübe eingestellt werden und für die Einlassventile (5, 6) und für die Auslassventile (3, 4) die Öffnungszeitfenster des Ausgangszustands eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetriebszustand (IV) mit oberer Teillast die Drallklappe (15) lastabhängig zwischen ihrer Schließstellung und ihrer Offenstellung mindestens eine dazwischen liegende Zwischenstellung verstellt wird, für die ersten Einlassventile (5) und die Auslassventile (3, 4) die großen Ventilhübe und für die zweiten Einlassventile (6) die kleinen Ventilhübe eingestellt werden, und wobei die Einlassventile (5, 6) nach früh und die Auslassventile (3, 4) nach spät eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Volllastbetrieb (V) mit unterer Drehzahl die Drallklappe (15) lastabhängig und/oder drehzahlabhängig zwischen ihrer Schließstellung und ihrer Offenstellung und mindestens einer dazwischen liegenden Zwischenstellung oder permanent in ihre Offenstellung verstellt wird, für die Einlassventile (5, 6) und die Auslassventile (3, 4) die großen Ventilhübe eingestellt werden und die Öffnungszeitfenster bezogen auf den Ausgangszustand für die Einlassventile (5, 6) nach früh und für die Auslassventile (4, 5) nach spät verstellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Volllastbetrieb (VI) mit mittlerer und oberer Drehzahl die Drallklappe (15) permanent geöffnet wird, für die Einlassventile (5, 6) und die Auslassventile (3, 4) die großen Ventilhübe eingestellt werden und die Öffnungszeitfenster für die Einlassventile (5, 6) und die Auslassventile (3, 4) drehzahlabhängig zwischen dem Ausgangszustand und einem maximal verstellten Zustand und mindestens einem dazwischen liegenden Zwischenzustand verstellt werden.