DE102010042762A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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Kurt Kunz
Hans-Jochen Blind
Joerg Lange
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine angegeben, die mindestens einen Verbrennungszylinder (11) mit einem eine Kurbelwelle (16) antreibenden Hubkolben (14) und mindestens zwei einem vom Hubkolben (14) im Verbrennungszylinder (11) begrenzten Brennraum (17) zugeordnete, an dessen Ein- und Auslass (18, 19) angeordnete Gaswechselventile (20, 21) aufweist, die voneinander unabhängig elektrohydraulisch so steuerbar sind, dass die Brennkraftmaschine Drehmomente wahlweise im Viertaktverfahren und im Zweitaktverfahren erzeugt. Zur Realisierung der Verfahrensumstellung mit leicht zu beherrschenden Stellgliedern auf Basis bekannter, nockenwellenbetätigter Gaswechselventile (20, 21) ist jedem mit einem hydraulischen Tassenstößel (30) versehenen Gaswechselventil (20, 21) ein Arbeitszylinder (34) mit einem Druckkolben (36) zugeordnet, der von einem auf einer Nockenwelle (39) sitzenden, zwei diametrale Nockenerhebungen (371, 372) aufweisenden Nocken (37) betätigt wird. Ein an einer vom Druckkolben (36) im Arbeitszylinder (34) begrenzten Druckkammer (35) angeschlossenes Sperrventil (44) sorgt für eine An- und Abkopplung des Gaswechselventils (20, 21) an bzw. von der Nockenwelle (39). Durch einen an die Nockenwelle (39) angekoppelten Phasensteller (40) kann in Verbindung mit einem Variieren der Ansteuerzeiten des Sperrventils (44) der Beginn und die Dauer der Ventilöffnung des Gaswechselventils (20, 21) verändert werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art für Kraftfahrzeuge ( DE 100 53 336 C1 ) sind in einem Steuergerät mehrere Kennfelder abgelegt, die den Zusammenhang zwischen der Fahrpedalstellung und dem von der Brennkraftmaschine damit abgeforderten Drehmoment vorgeben, wobei noch Drehzahl, Winkelstellung der Drosselklappe und die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse mit eingehen. In den Kennfeldern werden abhängig davon Parameter definiert, wie der Zeitpunkt des Öffnens und Schließens eines Einspritzventils, des Ein- und Auslassventils und der Zündzeitpunkt, die dazu führen, dass die Brennkraftmaschine das vom Benutzer gewünschte, durch die Fahrpedalstellung signalisierte Drehmoment bereitstellt. Wird vom Benutzer nur ein relativ geringes Drehmoment abgefordert, z. B. weniger als ungefähr 40% des maximalen von der Brennkraftmaschine leistbaren Drehmoments, bewirken die von den Kennfeldern erzeugten Steuergrößen, dass die Brennkraftmaschine im Viertakt-Schichtbetrieb arbeitet. Dabei erfolgt nur bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle eine Zündung des Kraftstoffgemisches durch die Zündkerze und eine Verbrennung im Brennraum. Ferner wird der Kraftstoff durch das Einspritzventil so in den Brennraum eingespritzt und die Drosselklappe so gestellt, dass der Kraftstoff im Brennraum geschichtet vorliegt, d. h. dass im Bereich der Zündkerze ein überfettes Gemisch und im Bereichen fern von der Zündkerze ein sehr mageres Gemisch vorhanden ist.
  • Wird vom Benutzer ein höheres Drehmoment, z. B. 40% bis 80% des maximalen von der Brennkraftmaschine bereitstellbaren Drehmoments, abgefordert, so ändern sich die von den Kennfeldern erzeugten Parameter so, dass die Brennkraftmaschine vom Viertaktbetrieb auf Zweitaktbetrieb umschaltet. Im Brennraum erfolgt nun bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine Zündung bzw. Verbrennung. Da nun bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle ein Verbrennungsvorgang im Brennraum stattfindet, muss bei jedem Verbrennungsvorgang auch nur etwa halb so viel Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden, als bei einem entsprechenden Solldrehmoment im Viertaktbetrieb. Der Bereich, in dem die Brennkraftmaschine im Schichtbetrieb arbeiten kann, wird somit erweitert. Die Brennkraftmaschine verfügt über keine die Gaswechselventile üblicherweise steuernden Nockenwellen. Die Steuerung der Gaswechselventile erfolgt ausschließlich elektrohydraulisch durch hydraulische Aktuatoren, die mittels Magnetventilen angesteuert werden.
  • Bei einer unter dem Marktnamen „Multiair” bekannten zylinderselektiven Ventilsteuerung des Automobilherstellers Fiat werden die Einlassventile durch eine elektrohydraulische Ventilsteuerung gesteuert, wobei der Antrieb, wie bei klassischen Motoren, durch eine gemeinsame Nockenwelle für die Ein- und Auslassventile erfolgt. Die Gaswechselventile werden nach wie vor von einer von der Kurbelwelle mit halber Drehzahl angetriebenen Nockenwelle gegen die Kraft von Ventilschließfedern betätigt. Die Nockenwelle besitzt für jedes Gaswechselventil einen Nocken, der einen Druckkolben in einem Hydraulikzylinder in Hubbewegung versetzt. Der Hubkolben begrenzt eine Druckkammer in einem Hydraulikzylinder und erzeugt bei seiner das Kammervolumen verkleinernden Hubbewegung einen Betätigungsdruck am zugeordneten Gaswechselventil, wodurch dieses öffnet. An der Druckkammer ist ein Magnetventil angeschlossen, das wahlweise geschlossen und geöffnet werden kann. Solange das Magnetventil geschlossen ist, wird der Hub des Druckkolbens auf das Gaswechselventil übertragen. Ist das Magnetventil geöffnet, sind der Nocken auf der Nockenwelle und das Gaswechselventil voneinander getrennt. Das Gaswechselventil wird durch die Ventilschließfeder geschlossen. Mit dieser Ventilansteuerung lassen sich die Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile individuell für jeden Verbrennungszylinder variabel ansteuern und die Zylinderbefüllung jedem Lastzustand optimal anpassen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass zur beliebigen Umstellung der Füllungssteuerung zwischen Zwei- und Viertaktbetrieb der Brennkraftmaschine leicht zu beherrschende Stellglieder auf Basis bekannter, nockenwellenbetätigter Gaswechselventile eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße sog. Doppelnocken mit zwei diametralen Nockenerhebungen ermöglicht eine zweimalige Betätigung der Gaswechselventile pro Umdrehung der Nockenwelle. Bei gleichzeitiger Verdrehung der Nockenwellen durch die Phasensteller und entsprechender Ansteuerung der Sperrventile kann die Brennkraftmaschine im Zwei- und Viertaktverfahren betrieben werden. Durch die freie Wahl der Ventilöffnungsdauer in Verbindung mit der Phasenlage der Nockenwellen kann eine Optimierung des Ladungswechsels erzielt werden. Im Zweitaktbetrieb sind dadurch auch unsymmetrische Steuerzeiten möglich, im Viertaktbetrieb erlaubt die flexible Ansteuerung die optimale Realisierung von Miller-Zyklus mit früherem Schließen des Einlassventils und von Atkinson-Zyklus mit deutlich später schließendem Einlassventil. Im ersten Fall wird eine Stickoxidreduktion und eine Wirkungsgradsteigerung und im zweiten Falle eine Wirkungsgraderhöhung für höhere Drehzahlen erreicht. Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im Zweitaktverfahren ist vorteilhaft eine Luftaufladung oder Spülluft durch Abgasturbolader und Kompressor vorgesehen. Die Kombination mit einer Benzindirekteinspritzung ermöglicht einen Zweitaktbetrieb mit geringsten Spülverlusten und Abgasemissionen. In der Ausführung als Dieselmotor sind bei entsprechender Gestaltung der Nockenkontur Möglichkeiten zur inneren Abgasrückführung durch frühzeitiges Öffnen der Einlassventile während des Auspuff- oder Ausstoßtaktes der Brennkraftmaschine zur Stickoxidreduktion und ein frühzeitiges Öffnen des Auslassventils zur Erhöhung der Abgastemperatur, z. B. zur Regeneration von Partikelfiltern, gegeben. Ebenso lässt sich durch eine kurzzeitige Aufsteuerung des Auslassventils in der Kompressionsphase der im Viertaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine eine Dekompression realisieren. Eine solche Dekompression erleichtert den Start der Brennkraftmaschine.
  • Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
  • 1 ausschnittweise einen Längsschnitt einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungszylinder, einem Ein- und Auslassventil und zwei Nockenwellen zur Steuerung des Ein- und Auslassventils,
  • 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1, vergrößert dargestellt,
  • 3 ausschnittweise eine Seitenansicht einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle und Nockenwellen für die Ein- und Auslassventile,
  • 4 ein Diagramm des Druckverlaufs p im Brennraum eines Verbrennungszylinders der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel KW der Kurbelwelle mit Zuordnung der Öffnungsphasen von Ein- und Auslassventil, des Hubverlaufs hE, hA der von den Nockenwellen angetriebenen Druckkolben in den den Ein- und Auslassventilen zugeordneten Arbeitszylindern und der Schließ- und Öffnungsphasen der in den Arbeitszylindern angeschlossenen Sperrventile SV.
  • Die in 1 ausschnittweise und nur schematisch skizzierte Brennkraftmaschine weist mindestens einen Verbrennungszylinder 11 mit z. B. wassergekühltem Zylindergehäuse 12 und einem das Zylindergehäuse 12 kopfseitig abschließenden Zylinderkopf 13 auf. Im Zylindergehäuse 12 ist ein Hubkolben 14 axial verschieblich geführt, dessen Hubbewegung durch eine Pleuelstange 15 in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle 16 (3) umgesetzt wird. Der Hubkolben 14 begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 13 einen im Zylindergehäuse 12 ausgebildeten Brennraum 17, der mit einem Einlass 18 und einem Auslass 19 versehen ist. Der Einlass 18 ist mit einem Einlassventil 20 und der Auslass 19 mit einem Auslassventil 21 verschließbar. Zu dem Einlass 18 ist ein Ansaugkanal 22 für Verbrennungsluft geführt, der aus einem im Zylinderkopf 13 ausgeformten Einlasskanal 23 und einem an den Einlasskanal 23 angesetzten Saugrohr 24 zusammengesetzt ist. Vom Auslass 19 ist ein Abgaskanal 25 abgeführt, der aus einem im Zylinderkopf 13 ausgeformten Auslasskanal 26 und einem an den Auslasskanal 26 angesetzten Abgasrohr 27 besteht. Zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 17 ist ein Einspritzventil 28 vorgesehen, und eine Zündkerze 29 sorgt für die Zündung des sich im Brennraum 17 ansammelnden, zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches.
  • Das Einlassventil 20 und das Auslassventil 21, die jeweils auch als Gaswechselventil bezeichnet werden, sind identisch ausgebildet und auf die gleiche Weise elektrohydraulisch unabhängig voneinander so steuerbar, dass die Brennkraftmaschine Drehmomente wahlweise im Viertaktverfahren und im Zweitaktverfahren erzeugt. Hierzu ist jedes Gaswechselventil, also sowohl das Einlassventil 20 als auch das Auslassventil 21 mit einem hydraulischen Tassenstößel 30 versehen, der eine in einem Hydraulikzylinder 31 axial verschieblich geführte, eine Hydraulikkammer 32 begrenzende Tasse 33 aufweist. Eine das Gaswechselventil 20 bzw. 21 in Ventilschließrichtung belastende Ventilschließfeder 45 ist im Hydraulikzylinder 31 integriert und stützt sich an der Tasse 33 ab. Jedem Tassenstößel 30 ist ein hydraulischer Arbeitszylinder 34 mit einer an die Hydraulikkammer 32 angeschlossenen Druckkammer 35 und einem im Arbeitszylinder 34 axial verschieblich geführten, die Druckkammer 35 begrenzenden Druckkolben 36 zugeordnet. Der Druckkolben 36 liegt kraftschlüssig an einem rotierenden Nocken 37 an, wobei der Kraftschluss durch eine in der Druckkammer 35 angeordnete, sich am Druckkolben 36 abstützende Druckfeder 38 hergestellt ist. Der Nocken 37 sitzt drehfest auf einer Nockenwelle 39, die von der Kurbelwelle 16 (3) mit halber Drehzahl angetrieben wird. Der Nockenwelle 39 ist ein an sich bekannter Phasensteller 40 zugeordnet. Mittels des Phasenstellers 40 kann die Phasenlage der Nockenwelle 39 in Bezug auf die Kurbelwelle 16 verstellt werden. Die Druckkammer 35 weist einen Zufluss 41 und einen Abfluss 42 auf. Der Zufluss 41 ist mit einem einen Hydraulikvorrat aufnehmenden Hydraulikbehälter 43 verbunden, während der Abfluss 42 über ein elektrisch gesteuertes Sperrventil 44 mit dem Hydraulikbehälter 43 in Verbindung steht. Das elektrisch gesteuerte Sperrventil 44 ist beispielsweise als 2/2-Wege-Magnetventil ausgebildet, das zwei Ventilanschlüsse aufweist, von denen der eine Ventilanschluss mit dem Abfluss 42 der Druckkammer 35 und der andere Ventilanschluss mit dem Hydraulikbehälter 43 verbunden ist. Der den Druckkolben 36 zur Hubbewegung antreibende Nocken 37 weist zwei diametrale Nockenerhebungen 371, 372 auf (2), die zueinander punktsymmetrisch mit jeweils einer Auflaufkurve 371a bzw. 371b und einer Ablaufkurve 371b bzw. 372b, bezogen auf die Drehrichtung des Nockens 37, ausgebildet sind. Dabei ist die über den Drehwinkel α1 des Nockens 37 sich erstreckende Auflaufkurve 371a der Nockenerhebung 371 bzw. Auflaufkurve 372a der Nockenerhebung 372 länger als die über den Drehwinkel α2 sich erstreckende Ablaufkurve 371b der Nockenerhebung 371 bzw. Ablaufkurve 372b der Nockenerhebung 372, also der Drehwinkel α1 größer als der Drehwinkel α2. Die beiden Drehwinkel α1 und α2 ergeben zusammen 180°. Die Drehrichtung des Nockens 37 ist in 2 durch Pfeil 48 gekennzeichnet. Zur Verdeutlichung ist in 2 noch der an dem Nocken 37 unter der Wirkung der Druckfeder 38 kraftschlüssig anliegende Druckkolben 36 des Arbeitszylinders 34 eingezeichnet, der durch den Nocken 37 zur Hubbewegung hE für das Einlassventil 20 respektive hA für das Auslassventil 21 gemäß den in 4 dargestellten Hubkurven hE1 durch Nockenerhebung 371 und hE2 durch Nockenerhebung 372 respektive hA1 durch Nockenerhebung 371 und hA2 durch Nockenerhebung 372 angetrieben wird.
  • In 3 ist die Brennkraftmaschine als vierzylindriger Verbrennungsmotor konzipiert wobei die vier Verbrennungszylinder 11 identisch ausgebildet sind. Die vorstehende Beschreibung zu 1 und 2 gilt für jeden der Verbrennungszylinder 11 mit jeweils einem Einlassventil 20 und einem Auslassventil 21. Die Hubkolben 14 sind über ihre Pleuelstangen 15 mit der Kurbelwelle 16 gekoppelt, die z. B. über einen Zahnriementrieb 49 sowohl die Nockenwelle 39 für die Einlassventile 20, im Folgenden als Einlassnockenwelle 39E bezeichnet, als auch die Nockenwelle 39 für die Auslassventile 21, im Folgenden als Auslassnockenwelle 37A bezeichnet, jeweils mit halber Drehzahl antreibt. Die Drehzahlen und Drehwinkel von Kurbelwelle 16, Einlassnockenwelle 39E und Auslassnockenwelle 39A werden mittels Sensoren 50 sensiert. An die Einlassnockenwelle 39E und die Auslassnockenwelle 39A ist jeweils ein Phasensteller 40 angekoppelt. Die Einlassnockenwelle 39E trägt alle Nocken 37, die die Druckkolben 36 der den Einlassventilen 20 zugeordneten Arbeitszylinder 34 antreiben. Die Auslassnockenwelle 39A trägt alle Nocken 37, die die Druckkolben 36 der den Auslassventilen 21 zugeordneten Arbeitszylinder 34 antreiben.
  • In 4a ist ein Diagramm der im Viertaktbetrieb arbeitenden Brennkraftmaschine für einen Verbrennungszylinder 11, wie er in 1 skizziert ist, dargestellt. Gleiches gilt für jeden der vier Verbrennungszylinder 11 der in 3 skizzierten vierzylindrigen Brennkraftmaschine. Der die Kurbelwelle 16 antreibende Hubkolben 14 bewegt sich bei einer Umdrehung der Kurbelwelle 16 aus einer oberen Totpunktlage OT in eine untere Totpunktlage UT und zurück in die obere Totpunktlage OT. Der Viertaktzyklus umfasst in bekannter Weise zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 16 (720°KW), wobei bei der ersten Umdrehung der Kurbelwelle 16 die Phasen „Ansaugen” und „Verdichten” und bei der zweiten Umdrehung der Kurbelwelle 16 die Phasen „Verbrennen” und „Ausstoßen” ablaufen. Der während der ersten Umdrehung der Kurbelwelle 16 vom Hubkolben 14 durchlaufene obere Totpunkt OT wird daher als Lastwechsel-Totpunkt LW-OT und der bei der zweiten Umdrehung der Kurbelwelle 16 durchlaufene obere Totpunkt OT als Zünd-Totpunkt Z-OT bezeichnet. Zur Steuerung der Gaswechselventile 20, 21 werden die beiden Nockenwellen 39 mit halber Motordrehzahl, also mit halber Drehzahl der Kurbelwelle 16, angetrieben. Kurz vor dem UT öffnet das Auslassventil 21 und kurz vor dem LW-OT öffnet das Einlassventil 20 bei noch geöffnetem Auslassventil 21. Kurz danach schließt das Auslassventil 21 und über das offene Einlassventil 20 wird durch die Hubbewegung des Hubkolbens 14 Frischluft in den Brennraum 17 eingesaugt. Mit Durchlaufen des UT wird das Einlassventil 21 geschlossen, und mit sich nach oben bewegendem Hubkolben 14 steigt in der Phase „Verdichten” der Druck p im Brennraum 17 an. Bei Erreichen des Z-OT zündet die Zündkerze 29 den über das Einspritzventil 28 der Frischluft im Brennraum 17 zugemischten Kraftstoff, und durch den Verbrennungsprozess wird der Hubkolben 14 nach unten getrieben und erzeugt an der Kurbelwelle 16 ein Drehmoment. Der Druck p im Brennraum 17 fällt ab und geht mit Öffnen des Auslassventils 21 in der Phase „Ausstoßen” näherungsweise auf Umgebungsdruckniveau. In 4a ist die Öffnungsphase des Auslassventils 21 durch einen mit Schrägschraffur belegten Balken 47 und die Öffnungsphasen des Einlassventils 20 durch einen weiß belassenen Balken 46 kenntlich gemacht.
  • Bei zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 16 (720°KW) dreht sich jede Nockenwelle 39, also die Einlassnockenwelle 39E und die Auslassnockenwelle 39A, um jeweils 360°, wodurch der Druckkolben 36 im Arbeitszylinder 34 einmal von der Nockenerhebung 371 und einmal von der Nockenerhebung 372 zu einer Hubbewegung gegen die Rückstellkraft der Druckfeder 38 angetrieben wird. Die Phasenlage der beiden Nockenwellen 39E und 39A bezüglich der Kurbelwelle 16 ist mittels der Phasensteller 40 so eingestellt, dass während der erforderlichen Öffnungszeit des Einlassventils 20 bzw. des Auslassventils 21 sich der Druckkolben 36 infolge der Nockenbewegung des Nockens 37 gegen die Kraft der Druckfeder 38 nach oben bewegt und dadurch der Druck in der vom Sperrventil 44 abgeschlossenen Druckkammer 35 ansteigt. In 4a ist der Hub hE des Druckkolbens 36 in dem dem Einlassventil 20 zugeordneten Arbeitszylinder 34 und der Hub hA des Druckkolbens 36 in dem dem Auslassventil 21 zugeordneten Arbeitszylinder 34 dargestellt. Die Hubkurven hE1 und hA1 stellen dabei den durch die Nockenerhebung 371 erzeugten Hubverlauf und die Hubkurven hE2 und hA2 den durch die Nockenerhebung 372 bewirkten Hubverlauf des Druckkolbens 36 dar. Den Hubkkurven hE und hA sind zudem die Schließ- und Öffnungsphasen des an der jeweiligen Druckkammer 35 angeschlossenen Sperrventils 44 zugeordnet, wobei die Felder SV der Schließphasen des Sperrventils 44 mit Horizontalschraffur belegt und die Felder SV der Öffnungsphasen des Sperrventils 44 weiß belassen sind. Wie daraus ersichtlich ist, ist das für das Einlassventil 20 zuständige Sperrventil 44 und das für das Auslassventil 21 zuständige Sperrventil 44 für die Dauer der Öffnungsphase der Gaswechselventile 20, 21 gesperrt, so dass der von dem nach oben sich bewegenden Druckkolben 36 in der Druckkammer 35 des Arbeitszylinders 34 erzeugte Druck über den hydraulischen Tassenstößel 30 zu einem Öffnen des Gaswechselventils, also des Einlassventils 20 bzw. des Auslassventils 21, führt. In der übrigen Zeit ist das Sperrventil 44 offen, so dass sich in der Druckkammer 35 kein Druck aufbauen kann. Die Nockenwellen 39 und die Gaswechselventile 20, 21 sind damit voneinander abgekoppelt und die Gaswechselventile 20, 21 bleiben durch die Ventilschließfedern 45 geschlossen.
  • Wie ebenfalls aus dem Diagramm in 4a ersichtlich ist, trägt im Viertaktbetrieb nur die Nockenerhebung 371 des Nockens 37 (Hubkurve hE1 und hA1 in 4a) zur Betätigung der Gaswechselventile 20, 21 bei. Während der durch die Nockenerhebung 372 bewirkten Hubbewegung des Druckkolbens 36 (Hubkurve hE2 und hA2 in 4a) bleiben durch die geöffneten Sperrventile 44 die Gaswechselventile 20, 21 von dem jeweiligen Nocken 37 abgekoppelt.
  • In 4b ist eine gleiche Darstellung für den Zweitaktbetrieb wiedergegeben. Beim Zweitaktverfahren drehen üblicherweise Kurbelwelle 16 und Nockenwelle 39 mit gleicher Drehzahl und das Gaswechselverfahren wiederholt sich mit jeder Umdrehung der Kurbelwelle 16 um 360°. Der die Kurbelwelle 16 antreibende Hubkolben 14 bewegt sich dabei von seinem oberen OT über den unteren UT und zurück zum oberen OT. Die Gase werden am Ende der Expansionsphase und zu Beginn des Kompressionshubs getauscht. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt nicht wie beim Viertaktverfahren mit jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle 16, sondern bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 16, so dass im Zweitaktverfahren die Brennkraftmaschine ein deutlich höheres Drehmoment erzeugt. Die Schließ- und Öffnungsphasen des Gaswechselventils 20, 21 sind wiederum durch mit Schrägschraffur belegte Balken 47 bzw. durch weiß belassene Balken 46 kenntlich gemacht.
  • Bei der hier beschriebenen Brennkraftmaschine werden die beiden Nockenwellen 39 auch im Zweitaktbetrieb nach wie vor mit halber Drehzahl von der Kurbelwelle 16 angetrieben. Um den Übergang zum Zweitaktbetrieb zu realisieren, wird die Einlassnockenwelle 39E um einen Winkel φE zu größeren Kurbelwinkeln KW und die Auslassnockenwelle 39A um einen Winkel φE zu kleineren Kurbelwinkeln KW hin verschoben. Beispielhaft beträgt φE = 48°KW und φA = –104°KW. Dies hat zur Folge, dass infolge der durch die Verstellbewegung der Nockenwellen 39 bewirkten Verdrehung der Nocken 37 der Hub hE, hA der Druckkolben 36 in den Arbeitszylindern 14 gegenüber der Hubbewegung des Hubkolbens 14 zur Erzeugung des Druckverlaufs p in der Brennkammer 17 phasengerecht verschoben wird, so dass die Druckerzeugung in der Druckkammern 35 zum Öffnen der Gaswechselventile 20, 21 genutzt werden kann. Zur Ventilöffnung von Einlassventil 20 und Auslassventil 21 tragen nunmehr beide Nockenerhebungen 371 und 372 bei. Die zum Öffnen der Gaswechselventile 20, 21 erforderliche Schließphasen des jeweiligen Sperrventils 34 sind in 4b ebenfalls durch Felder SV mit Horizontalschraffur kenntlich gemacht, während die Öffnungsphasen der Sperrventile 44 durch weiß belassene Felder SV symbolisiert sind. In den Schließphasen der Sperrventile 44 führt der durch den sich nach oben bewegenden Druckkolben 36 in der Druckkammer 35 der Arbeitszylinder 34 erzeugte Druck zum Öffnen des Einlassventils 20 bzw. des Auslassventils 21. In den übrigen Drehbereichen der Kurbelwelle 16 ist das jeweilige Sperrventil 44 offen und sind die Gaswechselventile 20, 21 von den Nockenwellen 39 abgekoppelt, so dass sie von den Ventilschließfedern 45 geschlossen gehalten bleiben. Im Zweitaktbetrieb ist allerdings eine Luftaufladung oder Spülluft durch einen Abgasturbolader und Kompressor für den Gaswechsel erforderlich, da eine Spülung im Kurbelkasten oder Kurbelgehäuse hier nicht möglich ist.
  • Durch Variieren der Phasenlage der Nockenwellen 39E und 39A zur Kurbelwelle 16 und durch Variieren der Ansteuerzeiten der Sperrventile 44 kann der Beginn und die Dauer der Ventilöffnung der Gaswechselventile 20, 21 im Vier- und Zweitaktbetrieb verändert werden, wodurch im Zweitaktbetrieb auch unsymmetrische Steuerzeiten möglich werden und im Viertaktbetrieb sich der Miller- und der Atkinson-Zyklus mit Verschiebung des Schließzeitpunkts des Einlassventils 20 nach früher bzw. später sowie eine Dekompression beim Start der Brennkraftmaschine und eine innere Abgasrückführung (AGR) realisieren lassen. Zur Dekompression beim Start wird das an dem dem Auslassventil 21 zugeordneten Arbeitszylinder 34 angeschlossene Sperrventil 44 während der durch die Nockenerhebung 371 bewirkten Auswärtsbewegung des Druckkolbens 36 im Arbeitszylinder 34 (Hubkurve hA1) kurzzeitig geschlossen, wie dies durch das mit Schrägschraffur belegte mittlere Feld SV in 4a gekennzeichnet ist. Mit dem Schließen des Sperrventils 44 ist die Nockenwelle 39A mit dem Auslassventil 21 gekoppelt, und das Auslassventil 21 wird kurzzeitig geöffnet. Die Öffnungsphase des Auslassventils 21 ist in 4a durch den mit Schrägschraffur belegten Balken DEK gekennzeichnet und entspricht der Schließphase des dem Arbeitszylinder 34 für das Auslassventil 21 zugeordneten Sperrventils 44. Diese Dekompression erleichtert den Start der Brennkraftmaschine.
  • Eine innere AGR lässt sich durch kurzzeitiges Öffnen des Einlassventils 20 während der Öffnungsphase des Auslassventils 21 erzielen. Hier wird das Sperrventil 44, das an dem dem Einlassventil 20 zugeordneten Arbeitszylinder 34 angeschlossen ist, während der durch die zweite Nockenerhebung 372 bewirkten Aufwärtsbewegung des Druckkolbens 36 (Hubkurve hE2) kurzzeitig geschlossen, wie dies in 4a durch das hintere mit Schrägschraffur belegte Feld SV kenntlich gemacht ist. Damit ist das Einlassventil 20 kurzzeitig an die Einlassnockenwelle 39E angekoppelt und wird durch den bei der Aufwärtsbewegung der Druckkolben 36 in der Druckkammer 35 des Arbeitszylinders 34 erzeugten Hydraulikdruck geöffnet. Die Öffnungsphase des Einlassventils 20 ist in 4a durch den weiß belassenen Balken AGR gekennzeichnet und entspricht der Schließphase des dem Arbeitszylinder 34 für das Einlassventil 20 zugeordneten Sperrventils 44.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10053336 C1 [0002]

Claims (4)

  1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem in einem Verbrennungszylinder (11) ausgebildeten Brennraum (17), der von einem eine Kurbelwelle (16) antreibenden, im Verbrennungszylinder (11) verschieblich geführten Hubkolben (14) begrenzt ist, mit mindestens zwei dem Brennraum (17) zugeordneten Gaswechselventilen (20, 21), von denen eines als Einlassventil (20) an einem Brennraumeinlass (18) und eines als Auslassventil (21) an einem Brennraumauslass (19) angeordnet ist und die unabhängig voneinander elektrohydraulisch so steuerbar sind, dass die Brennkraftmaschine Drehmomente wahlweise im Viertaktverfahren und im Zweitaktverfahren erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gaswechselventil (20, 21) zu seiner elektrohydraulischen Steuerung einen hydraulischen Tassenstößel (30) mit einer in einem Hydraulikzylinder (31) verschieblich geführten, eine Hydraulikkammer (32) begrenzenden Tasse (33) aufweist und jedem Tassenstößel (30) ein hydraulischer Arbeitszylinder (34) mit einer an der Hydraulikkammer (32) angeschlossenen Druckkammer (35) und einem im Arbeitszylinder (31) verschieblich geführten, die Druckkammer (35) begrenzenden Druckkolben (36) zugeordnet ist, wobei der Druckkolben (36) kraftschlüssig an einem rotierenden Nocken (37) mit zwei diametralen Nockenerhebungen (371, 372) anliegt und die Druckkammer (35) einen vom Druckkolben (36) sperrbaren Zufluss (41) und einen mittels eines elektrisch steuerbaren Sperrventils (44) sperrbaren Abfluss (42) aufweist, und dass der dem mindestens einen Einlassventil (20) zugeordnete Nocken (37) und der dem mindestens einen Auslassventil (21) zugeordnete Nocken (37) auf jeweils einer Nockenwelle (39) sitzt, die mit einer gegenüber der Drehzahl der Kurbelwelle (16) halben Drehzahl umläuft, und jede Nockenwelle (39) mit einem Phasensteller (40) zum Verstellen der Phasenlage der Nockenwelle (39) in Bezug zur Kurbelwelle (16) versehen ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Nockenerhebungen (371, 372) punktsymmetrisch zueinander verlaugen und jeweils, auf die Drehrichtung (48) des Nockens (37) bezogen, eine Auflaufkurve (371a bzw. 372a) und eine sich unmittelbar daran anschließende Ablaufkurve (371b bzw. 372b) aufweisen.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflaufkurve (371a bzw. 372a) jeder Nockenerhebung (371 bzw. 372) sich über einen größeren Drehwinkel (α1) und die Ablaufkurve (371b bzw. 372b) jeder Nockenerhebung (371 bzw. 372) sich über einen kleineren Drehwinkel (α2) des Nockens (37) erstreckt und die beiden Drehwinkel (α1, α2) zusammen 180° ergeben.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch steuerbare Sperrventil (44) ein 2/2-Wege-Magnetventil mit zwei Ventilanschlüssen ist, von denen der eine mit dem Abfluss (42) der Druckkammer (35) des Arbeitszylinders (34) und der andere mit einem Hydraulikbehälter (43) verbunden ist, an dem der Zufluss (41) der Druckkammer (35) des Arbeitszylinders (34) angeschlossen ist.
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