DE102011000893A1

DE102011000893A1 - Verfahren zur Steuerung der Ladung eines Brennraums einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE102011000893A1
Application number: DE102011000893A
Authority: DE
Inventors: Gerald Gruber; Dieter Messner; Klaus Schaffer
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN und THERMODYNAMIK MBH; Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN und THERMODYNAMIK MBH; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ladung eines Brennraums (3) einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei hinsichtlich ihres jeweiligen durchsetzbaren Massenstroms (4, 5) steuerbaren Einlasskanälen (1, 2). Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch einen zur Erzeugung von niedrigerem Drall (1) und/oder durch einen zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildeten Einlasskanal (2) in den Brennraum (3) eingebracht, und die Massenstromeinträge (4, 5) der Einlasskanäle (1, 2) werden unabhängig voneinander gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ladung eines Brennraums einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung des Verfahrens nach dem Anspruch 8 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Ein Einlasskanal, durch welchen Ladung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht wird, kann hinsichtlich mehrerer, teilweise einander gegenseitig zuwiderlaufender Eigenschaften optimiert werden. Zwei solcher Eigenschaften sind beispielsweise einerseits eine Form, die einen hohen Durchsatz an Massenstrom erlaubt, und eine Form andererseits, die eine hohe Drallerzeugung im Brennraum ermöglicht.
Ein Einlasskanal mit möglichst geringem Strömungswiderstand erlaubt einen hohen Durchsatz an Massenstrom, d. h. einen hohen Durchfluss an Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch, die eingelassene Ladung wird jedoch keine gerichtete Strömung aufweisen. Bei einer Brennkraftmaschine, in deren Brennraum eine gute Ladungsverteilung mittels einer Drallströmung erreicht werden soll, kommt hingegen oft ein Einlasskanal zum Einsatz, der primär zur Erzeugung von Drall ausgelegt ist, jedoch einen weniger hohen Massenstrom erlaubt. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Geometrie des Einlasskanals und gegebenenfalls mit Hilfe einer Drallklappe im Einlasskanal bewerkstelligt werden.
Ein hoher Massenstrom ist für eine hohe Leistung Voraussetzung. Eine hohe Drallströmung im Brennraum erlaubt eine effizientere Verbrennung. Dabei werden Stickoxidemissionen verringert, der Kraftstoffverbrauch reduziert, und die Rußbildung bei der Verbrennung wird verringert. Eine hohe Drallerzeugung wird jedoch auf Kosten eines geringeren Durchsatzes an Massenstrom erkauft. Als besonders günstig hat es sich deshalb erwiesen, eine Brennkraftmaschine mit mehr als einem Einlasskanal auszustatten, und den einen hinsichtlich des Durchflusses zu optimieren, den anderen hinsichtlich der Drallerzeugung zu optimieren.
Eine Vorrichtung, die eine verbesserte Ladung eines Brennraums eines 4-Zylinder-Dieselmotors ermöglicht, ist anhand der Druckschrift MTZ 11/2007 Jahrgang 68 „Der neue Vierzylinder-Dieselmotor von BMW – Teil 1: Konzept, Mechanik und Gemischbildung" bekannt geworden. In dieser Schrift ist ein Dieselmotor offenbart, der einen Brennraum umfasst, der mit zwei Einlasskanälen ausgestattet ist, und zwar einerseits mit einem sogenannten Füllkanal mit einer Drallklappe, und andererseits mit einem Tangentialkanal. Dadurch, dass Ladung durch den Tangentialkanal tangential in den Brennraum des Motors eingeführt wird, wird viel Drall im Brennraum erzeugt. Der Füllkanal erlaubt, wenigstens bei geöffneter Drallklappe, einen großen Durchsatz an Massenstrom.
Auf Kosten einer Einschränkung des Massenstroms kann bei der bekannten Vorrichtung durch gezielten Einsatz einer teilweise oder vollständig verschließbaren Drallklappe der Summendrall aus Füllkanal und Tangentialkanal gesteuert werden. Wird die Drallklappe vollständig verschlossen, wird der gesamte Massenstrom durch den Tangentialkanal gelenkt. Im letzten Fall wird besonders viel Drall erzeugt, der Durchfluss ist jedoch stark eingeschränkt. Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass der Füllkanal mit einer Drallklappe bestückt sein muss. Zusätzlich muss die Vorrichtung damit ebenfalls über eine Steuerung für die Drallklappe verfügen. Dies macht die Herstellung der bekannten Vorrichtung aufwändig und teuer. Eine Drallklappe stellt außerdem einen Strömungswiderstand in dem Füllkanal dar, welcher primär auf einen hohen Durchsatz an Massenstrom ausgelegt ist. Infolge dieses Widerstands wird der Durchsatz an Massenstrom eingeschränkt.
Ebenfalls bekannt ist aus einer am 30. Internationalen Wiener Motorensymposium 2009 von der Toyota Motor Corporation, Japan, veröffentlichten Schrift „Improvement of Diesel Engine Performance by Variable Train System – Leistungsverbesserung von Dieselmotoren durch variable Ventilsteuerung" der Einsatz einer variablen Ventilsteuerung der Einlassventile zweier Einlasskanäle. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, zur Erhöhung des Dralls im Brennraum, die Einlasskanäle frühzeitig zu öffnen und/oder das Einlassventil des einen Einlasskanals frühzeitig zu schließen, und den Massenstrom danach nur noch durch den zweiten, auf Drallerzeugung ausgerichteten Einlasskanal in den Brennraum einzuführen. Gleichzeitig wird vorgeschlagen, infolge der eventuell längeren Ventilöffnungszeiten potentiell auftretende Zusammenstöße zwischen Kolben und einem geöffneten Ventil zu vermeiden, indem der Kolben mit Ventiltaschen versehen wird. Die Ventiltaschen erlauben ein Eintauchen eines geöffneten Ventils in die Ventiltaschen, und somit wird einem Zusammenstoß und damit einer Beschädigung des Motors vorgebeugt.
Da die Ventiltaschen einen Strömungswiderstand im Brennraum eines Motors darstellen, verliert die Ladung beim Überstreifen dieser Ventiltaschen stets einen Teil ihres Dralls. Damit verliert ein so erzeugter Drall im Brennraum beim Auftreffen der Drallströmung auf die Ventiltaschen rasch an Rotationsenergie und kann nicht bis zur Verbrennung hin effizient beibehalten werden. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass infolge der Verwendung eines Füllkanals, welcher vollständig auf einen hohen Massenstrom ausgelegt ist, im Brennraum eine sehr träge Ladungsmasse entsteht, und sogar Ladungsmassen mit Gegendrall entstehen können, so dass eine Erzeugung von Drall nach Verschließen des auf niedrigen Drall und hohe Füllmenge ausgerichteten Einlasskanals erschwert ist. Hier kann nur dadurch entgegengewirkt werden, wenn der zweite Einlasskanal vollständig auf Drall orientiert ausgelegt wird. Dies hingegen senkt wiederum den Gesamtdurchfluss.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung der Ladung eines Brennraums einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem ein höherer Drall im Brennraum bei gleichzeitig hohem Massenstrom durch die Einlasskanäle erzeugt werden kann, und darüber hinaus soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung geschaffen werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Die Verwendung des Verfahrens ist in den Ansprüchen 8 und 9 beschrieben. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen nach dem Anspruch 10 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, die Ladung eines Brennraums einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei hinsichtlich ihres jeweiligen durchsetzbaren Massenstroms steuerbaren Einlasskanälen zu steuern, indem Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen zur Erzeugung von niedrigerem Drall und/oder durch einen zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildeten Einlasskanal in den Brennraum eingebracht wird, und Massenstromeinträge der Einlasskanäle unabhängig voneinander gesteuert werden.
Damit kann Ladung durch beide Einlasskanäle gleichzeitig, oder aber auch nur durch einen der beiden Einlasskanäle in den Brennraum eingelassen werden. Das Verfahren kann sowohl zur Steuerung der Ladung einer Brennkraftmaschine mit einem Brennraum als auch einer Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen eingesetzt werden. Im letzteren Fall kann das Verfahren an einem oder mehreren Brennräumen verwendet werden, und das Verfahren ist sowohl für Brennräume mit genau zwei wie auch für Brennräume mit mehr als zwei Einlasskanälen vorgesehen.
Die Erfindung schließt die Ladungssteuerung ein derart, dass mit dem Eintrag der beiden Massenströme zu unterschiedlichen Zeitpunkten begonnen wird, der Eintrag aber zum selben Zeitpunkt beendet wird. Ebenso mit eingeschlossen ist, dass die Massenstromeinträge zum selben Zeitpunkt begonnen, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten beendet werden, und auch, dass mit den beiden Massenstromeinträge sowohl zu unterschiedlichen Zeitpunkten begonnen als auch beendet wird.
Der Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall ist hinsichtlich des Durchflusses weitgehend optimiert. Primär wird damit ein hoher Massenstrom durchgesetzt, aber trotzdem ist dieser Einlasskanal so konfiguriert, dass mit diesem Einlasskanal auch Drall im Brennraum erzeugt wird. Dies erlaubt es im Gegenzug, den Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall wiederum nur weitgehend, bei Bedarf aber auch vollständig, hinsichtlich der Drallerzeugung zu optimieren. Dank der unabhängigen Steuerung der Massenstromeinträge durch die beiden Einlasskanäle kann der Schwerpunkt beim Einbringen von Ladung in den Brennraum auf hohen Durchfluss oder auf hohe Drallerzeugung gelegt werden, oder es kann, je nach Ausführungsform, zwischen den beiden Schwerpunkten kontinuierlich oder in Schritten variiert werden.
Niedrigerer Drall wird vorzugsweise mit einem als Spiralkanal ausgebildeten Einlasskanal erzeugt. Ein Spiralkanal erlaubt einen hohen Durchfluss, erzeugt aber gleichzeitig Einzeldrallniveaus in einem Bereich zwischen 0.2 und 0.6, bestimmt nach der Gleichrichter-Drallmessmethode nach Tippelmann. Die durchströmende Masse wird nach dieser Methode durch einen dem Bohrungsdurchmesser entsprechenden Zylinder über den Einlasskanal angesaugt, und die Drehung der Masse wird in einem Gleichrichter kompensiert. Das entstehende Reaktionsmoment (M) wird gemessen und daraus eine Drallzahl (D) nach folgender Formel bestimmt: D = (M·R_Zyl)/(σ^2·ρ), wobei M das Reaktionsmoment, R_Zyl den Zylinderradius, σ^2 das Quadrat des Volumenstroms, und ρ die Luftdichte im Zylinder darstellen. Besonders bevorzugte Spiralkanäle erzeugen Einzeldrallniveaus zwischen 0.3 und 0.55 nach Tippelmann.
Höherer Drall wird vorzugsweise mit einem als Tangentialkanal ausgebildeten Einlasskanal erzeugt. Mit diesem werden typischerweise Einzeldrallniveaus zwischen 1.2 und 2.0 nach Tippelmann erreicht, besonders bevorzugte Tangentialkanäle erreichen Einzeldrallniveaus zwischen 1.5 und 1.8 nach Tippelmann. Die gemeinsame Verwendung eines Spiralkanals und eines Tangentialkanals als Einlasskanäle bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlasskanälen mag zwar zunächst negativ erscheinen, es hat sich aber überraschend gezeigt, dass damit Füllgrade im Brennraum erreichbar sind, die dem Füllgrad mit einer Konfiguration aus reinem Füllkanal und reinem Drallkanal nicht nachstehen, wobei mit der erfindungsgemäßen Konfiguration durchwegs höhere Drallzahlen erreicht wurden. Damit schafft das Verfahren nach der Erfindung eine bestmögliche Lösung im Spannungsfeld zwischen Optimierung des Durchflusses einerseits und der Drallerzeugung andererseits.
Wenn zwei Einlasskanäle vorhanden sind, wird nach dem Stand der Technik ein Einlasskanal vollständig hinsichtlich des durchsetzbaren Massenstroms optimiert. Ein solcher Füllkanal erzeugt gar keinen Drall oder allenfalls zufällig orientierte, regionale Drallströmung. Der zweite Einlasskanal wird dann vollständig hinsichtlich der Drallerzeugung optimiert. Es wird nach dem bekannten Verfahren so vorgegangen, den Massenstromeintrag durch den Füllkanal bei Teillastbetrieb einer Brennkraftmaschine früher zu beenden als den Massenstromeintrag durch den drallerzeugenden Einlasskanal. Dadurch, dass der Füllkanal überhaupt keinen Drall erzeugt, kann es jedoch zu stehenden Massenregionen im Brennraum oder sogar zu einer Gegendrallbewegung im Brennraum kommen.
In diesem Fall ist eine Drallerzeugung in der letzten Einlassphase, in welcher der Massenstrom nur durch den drallerzeugenden Einlasskanal eingelassen wird, stark erschwert. Die gemeinsame Verwendung eines Spiralkanals und eines Tangentialkanals erlaubt hingegen eine deutlich höhere Drallerzeugung, resultierend in einem homogener ausgebildeten Drallfeld, und es kann weder zu stehenden Massenregionen im Brennraum kommen, noch kann es bis zum Zeitpunkt, da der Massenstromeintrag durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall beendet wird, zu einer Gegendrallbewegung kommen.
Die Verwendung eines Spiralkanals als hinsichtlich des durchsetzbaren Massenstroms optimierten Einlasskanals erlaubt eine Drallerzeugung mit beiden Einlasskanälen, ohne, dass der Spiralkanal mit einer Drallklappe versehen sein muss. Damit können ein Bauteil und eine Steuerung bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingespart werden. Ein Spiralkanal erlaubt außerdem eine hohe Fertigungstoleranz. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft eine alternative Steuermethode, mit der ohne Einsatz einer Drallklappe zwischen Durchfluss und Drall variiert werden kann. Zusätzlich beansprucht der zweite Einlasskanal, der Tangentialkanal, wenig Bauraum, da er verglichen mit einem reinen Füllkanal auf einen geringeren Massenstrom hin ausgelegt werden kann und somit eine geringere Querschnittsfläche aufweist. Damit kann das Verfahren sehr platzsparend und kostengünstig an einer Brennkraftmaschine implementiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens, wird in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine der Massenstromeintrag durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall vor oder weitgehend zeitgleich zusammen mit dem Massenstromeintrag durch den Einlasskanal mit höherem Drall beendet. Als Betriebsparameter kann zum Beispiel eine Nenn- oder Zieldrehzahl des Motors, ein Massenstrom in wenigstens einem Einlasskanal, eine Last oder ein Lastzustand, oder ein Zeitpunkt, beispielsweise der Zeitpunkt, zu dem Ladung in wenigstens einen Einlasskanal zurückzuströmen beginnt, vorgegeben werden.
Insbesondere beim Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, den Massenstromeintrag durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall früher zu beenden, und dann insbesondere noch für eine sehr hohe Drallströmung im Brennraum zu sorgen. Bei höherer Last muss mehr Massenstrom durch die Einlasskanäle fließen, deshalb wird der Massenstromeintrag durch den Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall später als bei niedrigerer Last beendet. Die Erfindung schließt insbesondere auch Ausführungsformen mit ein, bei denen die Massenstromeinträge zeitgleich, oder weitgehend zeitgleich beendet werden.
Auf diese Weise kann der Auslegungsschwerpunkt zwischen hohem Durchfluss an Massenstrom und hoher Drallerzeugung, in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine, verlagert und damit optimiert werden. Bei einer Auslegung des Schwerpunkts auf hohe Drallerzeugung wird der Massenstromeintrag durch den Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall früher beendet. Ein daraus resultierender Verlust an insgesamt in den Brennraum eingelassenem Massenstrom kann aber durch ein späteres Beenden des Massenstromeintrags durch den Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall kompensiert werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine ein Referenzschließzeitpunkt bestimmt, und wenigstens für einen bestimmten Betriebsparameterwert oder Betriebsparameterbereich werden ein Schließzeitpunkt eines Steuermittels zur Beendigung des Massenstromeintrags durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall und ein Schließzeitpunkt eines Steuermittels zur Beendigung des Massenstromeintrags durch den Einlasskanal mit höherem Drall im Bezug auf den Referenzschließzeitpunkt festgelegt. Zusätzlich wird wenigstens für diesen bestimmten Betriebsparameterwert oder Betriebsparameterbereich der Schließzeitpunkt für den Einlasskanal mit niedrigerem Drall früher als der Schließzeitpunkt für den Einlasskanal mit höherem Drall gewählt.
Als Betriebsparameter kann beispielsweise ein Ist- und/oder Sollwert der Motordrehzahl, also eine Istmotordrehzahl und/oder eine Zielmotordrehzahl und/oder die Last der Brennkraftmaschine und/oder ein Lastzustand und/oder ein Lastbereich und/oder der Massenstrom in wenigstens einem Einlasskanal und/oder eine davon abhängige Größe verwendet werden.
Wenigstens für einen bestimmten Wert des Betriebsparameters, also beispielsweise bei einem bestimmten Lastzustand, oder für einen bestimmten Betriebsparameterbereich, beispielsweise eine Istmotordrehzahl zwischen 1000 und 1200 Umdrehungen pro Minute, werden die Schließzeitpunkte für beide Steuermittel in Bezug auf den Referenzschließzeitpunkt festgelegt. Für diesen Betriebsparameterwert oder diesen Betriebsparameterbereich, also beispielsweise wiederum bei Istmotordrehzahl von 1000 bis 1200 Umdrehungen pro Minute, wird außerdem der Schließzeitpunkt für das Steuermittel des Einlasskanals mit niedrigerem Drall früher gewählt als der Schließzeitpunkt des Steuermittels des Einlasskanals mit höherem Drall.
Als Steuermittel zur Beendigung eines Massenstromeintrags wird beispielsweise ein Einlassventil verwendet. In diesem Fall werden dann Schließzeitpunkte für Einlassventile ermittelt.
Vorzugsweise wird eine Wahl für den Referenzschließzeitpunkt getroffen, die eine anschauliche technische Deutung ermöglicht. Als konkretes Beispiel soll im Folgenden als Referenzzeitpunkt, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Schließzeitpunkt zur gleichzeitigen Beendigung der Massenstromeinträge für beide Steuermittel verstanden werden. Genauer ist der Referenzzeitpunkt im Rahmen weiterer Betrachtungen dadurch festgelegt, dass der Massenstromeintrag und/oder der Drall maximiert würde, wenn beide Massenstromeinträge – gleichzeitig – zu dem Referenzschließzeitpunkt beendet werden würden.
Der Fachmann kann aber auch eine andere Wahl für einen Referenzschließzeitpunkt treffen. Wird eine bestimmte Wahl getroffen, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren stets auch realisieren, indem der Referenzschließzeitpunkt um ein beliebiges Zeitintervall früher oder später festgelegt wird. Von Bedeutung ist jedoch, wie im folgenden verdeutlicht werden wird, dass die Schließzeitpunkte für die beiden Steuermittel nicht nur im Bezug aufeinander, sondern im Bezug auf einen dritten Zeitpunkt festgelegt werden. Die Notwendigkeit eines dritten Zeitpunkts, des Referenzschließzeitpunkts, wird untenstehend erläutert werden.
Wenn der Referenzschließzeitpunkt wie vorstehend – beispielhaft – definiert ist, kann die Aussage, dass wenigstens für einen bestimmten Betriebsparameterwert oder Betriebsparameterbereich die Schließzeitpunkte für die Steuermittel beider Einlasskanäle im Bezug auf einen Referenzschließzeitpunkt festgelegt werden, und die beiden Zeitpunkte nicht identisch sind, näher präzisiert werden. Für wenigstens einen bestimmten Betriebsparameterwert oder Betriebsparameterbereich, also beispielsweise für eine Istmotordrehzahl zwischen 1200 und 1500 Umdrehungen pro Minute, wird ein Schließzeitpunkt für das Steuermittel zur Beendigung des Massenstromeintrags durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall früher als der Referenzschließzeitpunkt festgelegt, und ein Schließzeitpunkt für das Steuermittel zur Beendigung des Massenstromeintrags durch den Einlasskanal mit höherem Drall später als der Referenzschließzeitpunkt festgelegt.
Wie bereits aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, könnte erreicht werden, dass die Schließzeitpunkte für beide Steuermittel später als der Referenzschließzeitpunkt festgelegt werden, indem der Referenzschließzeitpunkt um ein bestimmtes Zeitintervall früher gewählt wird, als erläutert worden ist. Umgekehrt kann der Referenzschließzeitpunkt um ein geeignetes Zeitintervall später gewählt werden, so dass die Schließzeitpunkte für beide Steuermittel früher als der Referenzschließzeitpunkt festgelegt werden.
Die Erfindung schließt auch Verfahren mit ein, bei welchen das frühere, beziehungsweise spätere Beenden der Massenstromeinträge im Bezug auf einen Referenzschließzeitpunkt bei mehreren Betriebsparameterwerten oder Betriebsparameterbereichen vorgenommen werden, also beispielsweise bei einer Istmotordrehzahl von 1000 bis 1200 und auch bei 1200 bis 1400 Umdrehungen pro Minute. Dies könnte über alle Betriebsparameterbereiche hinweg fortgesetzt werden, oder beispielsweise nur bis zu Istdrehzahlbereichen von bis zu 2000 Umdrehungen pro Minute.
Dabei kann immer derselbe Referenzschließzeitpunkt verwendet werden, oder es kann für jeden Betriebsparameterbereich ein neuer Referenzschließzeitpunkt festgelegt werden. Im letzten Fall würden die Schließzeitpunkte für die Steuermittel bei Drehzahlen oberhalb von 2000 Umdrehungen pro Minute nicht mehr im Bezug auf einen Referenzschließzeitpunkt festgelegt. Die beiden Schließzeitpunkte könnten dann, oberhalb von 2000 Umdrehungen pro Minute, wiederum unterschiedlich, oder aber identisch festgelegt werden.
Die Erfindung schließt sowohl Verfahren mit ein, bei denen der Referenzschließzeitpunkt und/oder ein oder beide Schließzeitpunkte für die Steuermittel kontinuierlich von wenigstens einem Betriebsparameter abhängen, als auch Verfahren, bei denen einer oder mehrere der genannten Zeitpunkte nur diskret von einem Betriebsparameter abhängen. Bei kontinuierlicher Abhängigkeit können die genannten Zeitpunkte für jeden einzelnen Wert des Betriebsparameters ihrerseits einen anderen Wert einnehmen. Eine diskrete Abhängigkeit bedeutet hingegen, dass die Zeitpunkte nicht von einzelnen Betriebsparameterwerten, sondern nur von einem Betriebsparameterbereich abhängen. Über jeweils einen Betriebsparameterbereich nehmen die Zeitpunkte dann einen konstanten Wert an.
Möglich ist es auch, eine Kombination einer kontinuierlichen und einer diskreten Abhängigkeit zu verwenden. In diesem Fall hängt ein Zeitpunkt in einem ersten Bereich, beispielweise Istdrehzahl oberhalb von 2500 Umdrehungen pro Minute, diskret von wenigstens einem Betriebsparameter ab, und nimmt für diesen Betriebsparameterbereich einen konstanten Wert an. Über einen zweiten Bereich, beispielweise Istdrehzahlen zwischen 800 und 2500 Umdrehungen pro Minute, hingegen hängt er hingegen kontinuierlich ab, und kann für jeden Betriebsparameterwert in diesem Bereich einen anderen Wert annehmen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden, wie vorstehend erklärt, – der Referenzschließzeitpunkt und – die Schließzeitpunkte der Steuermittel an den Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der jeweils durch einen oder mehrere vorgegebene Betriebsparameter oder Betriebsparameterbereiche erfasst wird, adaptiert. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass eine Optimierung innerhalb des Spannungsfelds zwischen guter Füllung, hohem Drall, geringer Rußbildung und anderen wünschenswerten Eigenschaften der Verbrennung, für verschiedene Betriebszustände unterschiedliche Steuerzeiten für die Steuermittel zum Beenden der Massenstromeinträge erfordert. Ein hoher Füllungsgrad gewinnt beispielsweise gegenüber hoher Drallerzeugung bei höher werdender Last zunehmend an Bedeutung.
Gegenüber einem Referenzschließzeitpunkt, wie er oben als Beispiel eingeführt wurde, wird der Massenstromeintrag durch den Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall früher beendet – zumindest für einen Betriebsparameterwert oder Betriebsparameterbereich. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, eröffnet sich dadurch eine neue Möglichkeit, nämlich den Massenstromeintrag durch den Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall später als zum Referenzschließzeitpunkt zu beenden.
Es wird demnach eine zusätzliche Zeitspanne geschaffen, während der Masse in den Brennraum eingebracht wird, eine Nach-Einlassphase. Da das Verschieben des einen Schließzeitpunkts auf früh das Verschieben des anderen Schließzeitpunkts auf spät ermöglicht, beziehen sich die beiden Schließzeitpunkte somit auf einen dritten Zeitpunkt. Hierin liegt die Notwendigkeit, einen Referenzschließzeitpunkt zu schaffen.
Eine Nach-Einlassphase kann aus den folgenden Gründen geschaffen werden. Einerseits weil durch den Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall weniger Massenstromvolumen pro Zeiteinheit in den Brennraum eingebracht wird, und durch die längere Öffnungsdauer über einen längeren Zeitraum Masse eingebracht werden kann. Andererseits, weil infolge der geometrischen Gegebenheiten eines Einlasskanals zur Erzeugung von höherem Drall Masse mit sehr hoher Geschwindigkeit eingebracht wird, und diese die bereits eingebrachte, sehr viel trägere Masse länger vor dem Zurückströmen zurückhalten kann. Damit wird der durch das frühere Beenden des Eintrags durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall erlittene Verlust an Massenstrom teilweise oder vollständig kompensiert.
Ein weiterer Vorteil aus dem gleichzeitigen Verschieben des einen Schließzeitpunkts nach früh, und des anderen nach spät, liegt darin, dass die Ladungsbewegung im Brennraum einer Brennkraftmaschine verbessert, und sowohl eine bessere Kaltstart- und eine bessere Warmlauffähigkeit erreicht wird.
Als Referenzschließzeitpunkt wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein für die Brennkraftmaschine vorbestimmter oder vorbestimmbarer Zeitpunkt oder der Zeitpunkt, zu dem ein Rückstrom von Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in wenigstens einen Einlasskanal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, festgestellt. Ein vorbestimmter Zeitpunkt ist beispielsweise ein aus Motorkennlinien ermittelter Schließzeitpunkt. Ein vorbestimmbarer Zeitpunkt ist ein Zeitpunkt, der beispielsweise mittels eines Steuergeräts, mit auf das spezifische Verfahren abgestimmten Verfahrensschritten oder Rechenregeln, ermittelt wird.
Wird der Zeitpunkt als Referenzschließzeitpunkt verwendet, zu dem ein Rückstrom von Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in wenigstens einen Einlasskanal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, ist dieser Zeitpunkt beispielsweise in Abhängigkeit einer vorgegebenen Motordrehzahl zu wählen. Hierfür kann eine Ist- oder eine Zieldrehzahl verwendet werden. Je nach gewünschter und möglicher Genauigkeit des Verfahrens, je nach Präzision der zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorrichtungen, kann der Schwellenwert für den Massenrückstrom kleiner oder größer festgelegt werden. Der Schwellenwert kann insbesondere auf Null festgelegt werden, wenn der Rückfluss an Massenstrom vollständig unterbunden werden soll.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in wenigstens einem Einlasskanal eine Drallklappe eingesetzt. Hierbei kommen sowohl stufenweise als auch stufenlos verstellbare Drallklappen zur Anwendung. Durch Betätigung der Drallklappe kann der Massenstromeintrag in dem Einlasskanal beispielsweise teilweise oder vollständig unterbunden werden. Mittels der Drallklappe kann ebenfalls zusätzlicher Drall im Brennraum erzeugt werden. Wird einerseits die Drallklappe vollständig geschlossen, gelangt nur noch durch den Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall Fluid in den Brennraum, und folglich wird viel Drall im Brennraum erzeugt. Indem die Drallklappe anderseits teilweise geschlossen wird, kann die Strömung im Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall so abgelenkt werden, dass es auch in diesem Einlasskanal zur Ausbildung von Drall kommt. Durch Wahl verschiedener Positionen der Drallklappe kann ein besserer Durchfluss und weniger Drall, oder mehr Drall bei gleichzeitig weniger Durchfluss eingestellt werden.
Während das Verfahren zur Anwendung primär ohne Drallklappe vorgesehen ist, und in dem Wegfall einer Notwendigkeit, eine Drallklappe in dem einen Einlasskanal einzusetzen, zahlreiche Vorteile bestimmter Ausführungsformen der Erfindung begründet sind, kann eine Drallklappe aber bei anderen Ausführungsformen zusätzlich eingesetzt werden. Dies ist insbesondere bei Motoren sinnvoll, die auf sehr hohe Leistung ausgelegt sind. Damit ist eine zusätzliche Regelung des Dralls, beziehungsweise des Verhältnisses zwischen Drall und Durchfluss, möglich. Ein Vorteil in der zusätzlichen Verwendung einer oder mehrerer Drallklappen liegt zum Beispiel darin, dass damit bei einem auf sehr hohe Leistung ausgelegten Motor bessere Emissionswerte bei der Verbrennung erzielt werden können.
Das Verfahren lässt sich zur Steuerung der Ladung eines Brennraums insbesondere auch auf einen Hubkolbenmotor anwenden, bei dem es sich beispielsweise um einen Viertaktmotor handeln kann, der nach dem Selbstzünderprinzip arbeitet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, einen Referenzschließzeitpunkt zwischen weitgehend 180° und 220° Kurbelwinkel nach dem Oberen-Ladungswechsel-Totpunkt (Ladungswechsel-OT) festzulegen, einen Schließzeitpunkt für den Einlasskanal mit niedrigerem Drall zwischen weitgehend 5° und 70° Kurbelwinkel früher als den Referenzschließzeitpunkt, und einen Schließzeitpunkt für den Einlasskanal mit höherem Drall zwischen weitgehend 5° und 20° Kurbelwinkel später als den Referenzschließzeitpunkt zu bestimmen. Insbesondere liegt dann der erste Schließzeitpunkt zwischen 110° und 215°, der zweite zwischen 185° und 240° Kurbelwinkel. Ein Vorteil liegt darin, dass eine bessere Abgasrückführungs-Verträglichkeit erzielt, und weniger Stickoxid ausgestoßen wird.
Das Verfahren lässt sich zur variablen Steuerung von Einlassventilen von mit drallerzeugenden Einrichtungen versehenen Einlasskanälen einer Brennkraftmaschine verwenden. Insbesondere kann das Verfahren damit zum Einsatz kommen bei Motoren für Personenkraftwagen, insbesondere bei Dieselmotoren. Auf diese Weise, lässt sich in Abhängigkeit der Last beziehungsweise verschiedener Lastzustände ein Optimum anstreben in der von einem möglichst geringen Stickoxidausstoß, einer möglichst geringen Rußproduktion und einem möglichst geringen Kraftstoffverbrauch gebildeten Triade.
Zur Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise eine Vorrichtung verwendet mit wenigstens zwei Einlasskanälen zum Einbringen von Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein erster Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall, und ein zweiter Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildet ist, und die Massenstromeinträge der Einlasskanäle unabhängig voneinander steuerbar sind. Diese Steuerung kann parameterinvariant oder in Abhängigkeit von Parametern erfolgen. Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur aktiven Steuerung ist ein Steuergerät, welches die Einlassventile von Einlasskanälen in einem Dieselmotor steuert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Einlasskanal der Vorrichtung als Spiralkanal, und der zweite Einlasskanal als Tangentialkanal ausgebildet. Die zahlreichen Vorteile, welche die Verwendung solcher Einlasskanäle und insbesondere ein kombinierter Einsatz beider Kanäle bietet, wurden vorstehend bereits ausführlich im Rahmen der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens besprochen. Es wird an dieser Stelle ausdrücklich auf obenstehende Vorteile verwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tangentialkanal in Richtung zum Brennraum der Brennkraftmaschine düsenförmig verjüngt ausgebildet. Damit wird wenig Platz in der Nähe des Brennraums im Zylinderkopf benötigt, also dort, wo der Bauraum ohnehin stark begrenzt ist. Wird der Massenstromeintrag durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall beendet, so dass der Massenstrom ganz auf den Tangentialkanal verlagert wird, wird der Massenstrom in Folge des gegen die Öffnung hin kleineren Querschnitts des Tangentialkanals deutlich schneller einströmen als beim Einströmen durch beide Einlasskanäle. Mit einer düsenförmigen Öffnung wird dieser Massenstrom nochmals beschleunigt. Die Einströmgeschwindigkeit in den Brennraum ist damit sehr hoch, und es kommt zu einer sehr hohen Drallerzeugung. Durch Einsatz einer düsenförmigen Kanalausprägung ist die Einströmgeschwindigkeit erhöht. Es kann daher in der Nach-Einlassphase mehr Massenstrom in den Brennraum eingebracht werden.
Die Einlasskanäle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zum Brennraum hin mit Einlassventilen versehen sein, und die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Steuergerät, welches in Abhängigkeit wenigstens eines vorgegebenen Betriebsparameters der Brennkraftmaschine vorbestimmte Schließzeitpunkte für die Einlassventile zum Schließen des ersten Einlassventils zum ersten Schließzeitpunkt und zum Schließen des zweiten Einlassventils zum zweiten Schließzeitpunkt ermittelt. Eine solche Vorrichtung ermöglicht somit eine variable Steuerung der Schließzeitpunkte.
Zur Vermeidung einer Behinderung des sich im Zylinder ausbildenden Dralls, wird der dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Kolben vorzugsweise ohne Ventiltaschen ausgebildet. Damit wird der hohe Drall, welcher im Brennraum erzeugt wird, nicht dadurch abgeschwächt, dass die Drallströmung Widerstände an einer Ventiltasche erfährt und dadurch abgebremst wird. Damit ist eine weitere Begünstigung der Drallströmung im Brennraum gegeben. Der Vorteil liegt darin, dass der hohe Drall im Brennraum beibehalten wird. Das bewirkt wiederum eine bessere Ladungsverteilung und damit eine vollständigere und gleichmäßigere Verbrennung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Steuergerät zur Steuerung der Schließung wenigstens zweier Einlasskanäle einer Brennkraftmaschine, wobei der erste Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall, der zweite Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildet ist. Das Steuergerät ist weiterhin zur Ermittlung unabhängiger Schließzeitpunkte für die Einlassventile der Einlasskanäle und zur Bestimmung eines Referenzschließzeitpunkts und zur Festlegung eines früheren Schließzeitpunkts für den Einlasskanal mit niedrigerem Drall sowie zur Festlegung eines späteren Schließzeitpunkts für den Einlasskanal mit höherem Drall im Bezug auf den Referenzzeitpunkt ausgebildet.
Um eine unnötige Wiederholung zu vermeiden wird an dieser Stelle wiederum ausdrücklich auf die Vorteile obenstehender Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, bei welchen eine Vorrichtung, im vorliegenden Fall ein Steuergerät zum Einsatz kommt, welches die beiden Schließzeitpunkte zweier Steuermittel, in diesem Fall Einlassventile, im Bezug auf einen Referenzzeitpunkt festlegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsichtansicht auf zwei Einlasskanäle zum Einbringen von Ladung in einen nicht näher dargestellten Brennraum eines Dieselmotors für einen Personenkraftwagen zur Erläuterung des Verfahrens und einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;
2 eine Ansicht von vorne auf die Ausführungsform nach 1;
3 eine Seitenansicht von der linken Seite auf die Ausführungsform nach 1;
4 eine Seitenansicht von der rechten Seite auf die Ausführungsform nach 1;
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Drallerzeugung im Brennraum eines Dieselmotors mittels zweier Einlasskanäle;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Drallerzeugung im Brennraum eines Dieselmotors mittels eines Einlasskanals zur Erzeugung von hohem Drall;
7 ein Steuerdiagramm zur Erläuterung veränderlicher Schließzeitpunkte von Einlassventilen eines Dieselmotors;
8 eine schematische Darstellung des Massenstroms durch zwei Einlasskanäle als Funktion der Zeit in einem Teil eines Arbeitstakts eines Viertakt-Dieselmotors;
9 eine schematische Schnittdarstellung eines als Tangentialkanal ausgebildeten Einlasskanals mit einer düsenförmigen Öffnung;
9A eine schematische Schnittdarstellung eines als Tangentialkanal ausgebildeten Einlasskanals mit düsenförmig verjüngt ausgebildeter Kanalausprägung und einer sich daran anschließenden Erweiterung im Öffnungsbereich; und
10 eine Ansicht eines in einem Brennraum eines Dieselmotors verwendeten Kolbens ohne Ventiltaschen.
1 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten von Abschnitten zweier Einlasskanäle 1, 2 zum Einbringen von Ladung in einen in den 5 und 6 dargestellten Brennraum 3 eines nicht näher dargestellten Dieselmotors. Die in diesen und auch in den weiteren Figuren dargestellten Abschnitte von Einlasskanälen 1, 2 zeigen jeweils eine Öffnung eines Einlasskanals 1, 2 in den Brennraum 3 hin sowie einen angrenzenden Bereich davon. Obwohl jeweils nur Abschnitte gezeigt sind, wird im Folgenden aber der Einfachheit halber – terminologisch – jeweils von einer Darstellung eines Einlasskanals 1, 2 beziehungsweise von einem Einlasskanal 1, 2 gesprochen werden.
Die beiden Einlasskanäle 1, 2 münden jeweils in einen in 5 dargestellten Brennraum 3, der mit jeweils schematisch dargestellten Einlassventilen 6, 7 versehen ist. Die in 5 schematisch dargestellten Massenstromeinträge 4, 5 durch diese beiden Einlasskanäle 1, 2 werden unabhängig voneinander gesteuert, indem die Einlassventile 6, 7 zu individuellen Zeitpunkten geöffnet und geschlossen werden.
Der erste Einlasskanal 1 ist als Spiralkanal ausgebildet, und dient aufgrund seiner geometrischen Beschaffenheit zur Erzeugung von niedrigerem Drall, erlaubt aber zugleich einen hohen Durchfluss an Ladung, also einen hohen Massenstrom 4. Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Spiralkanal 1, der ein Einzeldrallniveau von etwa 0.45 nach Tippelmann erzeugt. Der zweite Einlasskanal 2 ist als Tangentialkanal ausgebildet, und dient zur Erzeugung von höherem Drall. Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Tangentialkanal 2, der ein Einzeldrallniveau von etwa 1.7 nach Tippelmann erzeugt.
In 5 ist zu sehen, wie bei gleichzeitigem Einsatz beider Einlasskanäle 1, 2 Drall im Brennraum 3 erzeugt wird. Der Drall wird teils durch den Spiralkanal 1 und teils durch den Tangentialkanal 2 erzeugt. Die beiden Massenströme 4, 5 sind in 5 ebenfalls zu sehen. Der Tangentialkanal 2 ist zur Erzeugung von höherem Drall ausgelegt. Der Massenstrom 5 durch den Tangentialkanal 2 wird aufgrund der geometrischen Beschaffenheit des Tangentialkanals 2 seitlich und mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum 3 des Dieselmotors eingelassen, weitgehend tangential zu der Kolbenwand des Brennraums 3. Dies ist besonders gut erkennbar, wenn nur durch den Tangentialkanal 2 Gas in den Brennraum 3 eingebracht wird. Diese Situation und die dadurch entstehende starke Drallströmung im Brennraum 3 sind in 6 dargestellt.
Zumindest beim Betrieb des Motors unter bestimmten Bedingungen, namentlich im Teillastbetrieb, wird bei der dargestellten Ausführungsform nach einer Haupteinlassphase, in welcher sowohl durch den Spiralkanal 1 als auch durch den Tangentialkanal 2 Gas in den Brennraum 3 eingelassen wird, das Einlassventil 6 des Spiralkanals 1 verschlossen, und es wird in einer Nach-Einlassphase ausschließlich durch den Tangentialkanal 2 Gas eingetragen.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebsparameterbereichs, nämlich des Istmotordrehzahlbereichs des Dieselmotors, ein Referenzschließzeitpunkt ES_R, sowie ein Schließzeitpunkt ES₁ für das Einlassventil 6 des Spiralkanals 1, und ein Schließzeitpunkt ES₂ für das Einlassventil 7 des Tangentialkanals 2 bestimmt. Für einen ersten Istmotordrehzahlbereich, beispielsweise 1000 bis 1200 Umdrehungen pro Minute, wird ein erster Referenzschließzeitpunkt ES_R bestimmt, für einen zweiten Istmotordrehzahlbereich, beispielweise 1200 bis 1400 Umdrehungen pro Minute, wird ein zweiter Referenzschließzeitpunkt ES_R bestimmt, und so weiter.
Oberhalb einer Istmotordrehzahl von 2200 Umdrehungen pro Minute, wenn der Dieselmotor bei hoher Last betrieben wird, werden bei der dargestellten Ausführungsform der Referenzschließzeitpunkt ES_R und die beiden Schließzeitpunkte ES₁, ES₂ gleichzeitig, nämlich kurz nach dem Unteren Totpunkt (UT) gewählt.
Exemplarisch soll im Folgenden der Motordrehzahlbereich von 1300–1400 Umdrehungen pro Minute näher beleuchtet werden.
Wie aus dem in 7 dargestellten Steuerdiagramm näher ersichtlich ist, werden die Einlassöffnungszeitpunkte EÖ beider Einlassventile 6, 7 für einen vorgegebenen Betriebsparameterbereich gleichzeitig vorgegeben, nämlich kurz vor dem Oberen Totpunkt des Ladungswechsels. Der Ladungswechsel-OT liegt in dieser Figur bei 0°. Als Referenzzeitpunkt ES_R wird für diesen Istmotordrehzahlbereich ein Zeitpunkt vorgegeben, der kurz nach dem Unteren Totpunkt (UT) liegt, im dargestellten Fall ungefähr bei 200° Kurbelwinkel. Zu diesem Zeitpunkt, 200° Kurbelwinkel nach dem OT, setzt ein nennenswertes Rückströmen von Ladung in die beiden Einlasskanäle 1, 2 ein, wenn beide Einlasskanäle 1, 2 zu diesem Zeitpunkt geöffnet sind – ein vorgegebener Schwellenwert für die Rückströmung in die Einlasskanäle ist mit anderen Worten erreicht.
Der Schließzeitpunkt ES₁ für das Einlassventil 6 des Spiralkanals 1 wird bei diesem Drehzahlbereich von 1300–1400 Umdrehungen pro Minute ungefähr 60° Kurbelwinkel früher als der Referenzschließzeitpunkt ES_R gewählt, im dargestellten Fall ungefähr bei 140° Kurbelwinkel. Der Schließzeitpunkt ES₂ für das Einlassventil 7 des Tangentialkanals 2 wird bei diesem Drehzahlbereich ungefähr 20° später als der Referenzschließzeitpunkt ES_R gewählt, im dargestellten Fall ungefähr bei 240° Kurbelwinkel.
Während der Zeitdauer des maximalen Einlassmassenstroms, das heißt bei der dargestellten Ausführungsform für den näher beleuchteten Istmotordrehzahlbereich von 1300–1400 Umdrehungen pro Minute, von kurz vor dem Ladungswechsel-OT bis hin zu ungefähr 140° Kurbelwinkel nach dem Ladungswechsel-OT, sind beide Einlasskanäle 1, 2 geöffnet. Während einer sich anschließenden Zeitdauer, während der der Massenstrom aufgrund der in den Einlasskanälen 1, 2 und dem Brennraum 3 vorherrschenden Druckverhältnisse ohnehin geringer wird, wird er zu 100% auf den Tangentialkanal 2 verlagert. Zu diesem Zweck kann das Einlassventil 6 des Spiralkanals 1 geschlossen werden oder aber der Spiralkanal 1 durch eine entsprechende Verstellung einer optional vorgesehenen Drallklappe verschlossen werden. Die bis zu dem Schließzeitpunkt ES₁ bereits eingelassene Masse weist schon einen bestimmten Betrag an Drall auf, und dieser wird dann durch den Massenstrom 5 durch den Tangentialkanal 2 in der Nach-Einlassphase wesentlich verstärkt werden.
Das Verlagern des Massenstroms auf den Tangentialkanal 2 bereits vor dem UT bedeutet eine höhere Gaseinlassgeschwindigkeit und ermöglicht eine bessere Nutzung der Nach-Einlassphase. Das einströmende Gas weist eine höhere Strömungsgeschwindigkeit auf als die bereits eingebrachte, rotierende Gassäule, und kann diese länger an einem Zurückströmen in einen Einlasskanal hindern. Der damit moderate Nachteil bezüglich Füllung durch frühes Schließen des Spiralkanals 1 kann durch das Erschaffen der Nach-Einlassphase und deren effizientere Nutzung teilweise oder vollständig kompensiert werden.
In 8 ist schematisch dargestellt, welcher Massenstrom (m SK ist der Massenstrom durch den Spiralkanal, m TK ist der Massenstrom durch den Tangentialkanal) als Funktion der Zeit jeweils durch den Spiralkanal 1 und durch den Tangentialkanal 2 fließt. Beide Einlasskanäle 1, 2 werden kurz vor dem Ladungswechsel-OT, in der Figur kurz vor 360° Kurbelwinkel, geöffnet. Der Spiralkanal 1 wird früh, zum ersten Schließzeitpunkt ES₁ geschlossen. Ungefähr ab 500° Kurbelwinkel fließt kein Massenstrom (m SK) mehr durch den Spiralkanal 1. Der Tangentialkanal 2 wird spät, zum zweiten Schließzeitpunkt ES₂ geschlossen. Erst etwa ab 550° Kurbelwinkel fließt kein Massenstrom (m TK) mehr durch den Tangentialkanal 2.
In 8 sind ebenfalls Referenzmassenströme (m SK/TK Referenz sind entsprechende Referenzmassenströme) zu sehen, welche durch den Spiralkanal 1 und den Tangentialkanal 2 fließen würden, wenn beide Einlassventile 6, 7 gleichzeitig, nämlich zum Referenzschließzeitpunkt ES_R, in der dargestellten Figur ungefähr bei 520° Kurbelwinkel, geschlossen werden würden. In diesem Fall würde etwas mehr Massenstrom (m SK Referenz) durch den Spiralkanal 1 fließen als durch den Tangentialkanal 2 (m TK Referenz). In der Figur ist erkennbar, wie der Verlust an Massenstrom durch frühzeitiges Schließen des Spiralkanals 1 durch zusätzlichen Massenstrom durch den Tangentialkanal 2 in der Nach-Einlassphase weitgehend kompensiert wird, wobei der wesentliche Vorteil darin besteht, dass durch das lange Öffnen des Tangentialkanals 2 eine wesentlich höhere Drallzahl im Brennraum 3 erzielt wird als beim gleichzeitigen Schließen von Spiralkanal 1 und Tangentialkanal 2 gemäß den Referenzmassenströmen (m SK/TK Referenz).
In 9 ist die bei der dargestellten Ausführungsform verwendete Ausführung des Tangentialkanals 2 näher dargestellt. Es ist ersichtlich, wie der Querschnitt des Tangentialkanals 2 sich zur Öffnung in den Brennraum hin verjüngt. Insbesondere ist der Querschnitt benachbart zu der Öffnung des Tangentialkanals 8 zum Brennraum 3 hin kleiner als beim auf der Figur gezeigten distalen Ende 10. Der Eintrittsquerschnitt beträgt bei der dargestellten Ausführungsform etwa 790 Quadratmillimeter, der Austrittsquerschnitt bei der Öffnung 8 beträgt etwa 290 Quadratmillimeter. Das Querschnittsverhältnis zwischen Eintritts- und Austrittsfläche beträgt damit ungefähr 2.7.
Auch in 9A ist eine Ausführungsform eines Tangentialkanals 2 näher dargestellt. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Querschnitt des Tangentialkanals 2 benachbart zu der Öffnung in den Brennraum hin düsenförmig verjüngt ausgebildet. Der Querschnitt verjüngt sich insbesondere bis hin zu einem engsten Querschnitt 14, gefolgt von einer Erweiterung 15 des Querschnitts zum Ventilteller 12 und damit zur Öffnung in den Brennraum hin. Eine solche geometrische Beschaffenheit kann durch geeignete Materialbearbeitung bei der Herstellung geschaffen werden, beispielsweise unter Einsatz eines Fräsers. In diesem Fall beträgt das Querschnittsverhältnis zwischen Eintrittsfläche und engster Querschnittsfläche ungefähr 2.7.
Zur weiteren Verstärkung des drallerzeugenden Effekts ist die Öffnung 8 düsenförmig ausgebildet. Diese wird mittels des nicht näher dargestellten Einlassventils 7, welches im Ventilschaft 11 geführt wird, geöffnet und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt verschlossen werden, indem der Ventilteller 12 vor die Öffnung 8 geschoben wird. Die düsenförmige Öffnung 8 des Tangentialkanals 2 bewirkt, dass die einströmende Masse in Richtung zum Brennraum 3 hin beschleunigt wird.
Im Brennraum 3 wird ein Kolben 9 verwendet, wie er in 10 schematisch dargestellt ist. Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, weist der Kolben 9 an seiner Oberseite eine Kolbenmulde 13 auf, ist aber ansonsten an seiner Oberseite flach ausgebildet, insbesondere ohne Ventiltaschen. Damit erfährt die Drallströmung im Brennraum 3 im Gegensatz zu einem Kolben mit Ventiltaschen keine Behinderung durch die Ventiltaschen, die zu einer Reduzierung des Dralls führen würden. Die Drallströmung erfährt nämlich beim Überstreifen von Ventiltaschen eines bekannten Kolbens mit Ventiltaschen einen die Drehgeschwindigkeit des Dralls verringernden Strömungswiderstand. Die Kombination der düsenförmigen Öffnung 8 des Tangentialkanals 2 und eines Kolbens 9 ohne Ventiltaschen mit der erfindungsgemäßen Steuerung der Einlasskanäle 1, 2 erlaubt eine Optimierung des Dralls in Abhängigkeit des Drehzahlbereichs des Dieselmotors.
Bei hoher Last ist vor allem ein hoher Massenstrom von zentraler Bedeutung, deshalb wird der Spiralkanal 1 vergleichsweise später geschlossen. Hierdurch wird weniger Drall erzeugt als bei niedrigeren Drehzahlen, aber, da beide Einlasskanäle 1, 2, wenn auch zu unterschiedlichen Graden, auf Drallerzeugung ausgerichtet sind, wird auch bei dem Betrieb bei hoher Last ein sich vom Drallniveau bekannter Brennkraftmaschinen unterscheidendes, hohes Drallniveau im Brennraum 3 erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Einlasskanal zur Erzeugung von niedrigerem Drall, Spiralkanal
2: Einlasskanal zur Erzeugung von höherem Drall, Tangentialkanal
3: Brennraum
4: Massenstrom mit niedrigerem Drall
5: Massenstrom mit höherem Drall
6: Steuermittel, Einlassventil eines Spiralkanals
7: Steuermittel, Einlassventil eines Tangentialkanals
8: düsenförmige Öffnung
9: Kolben ohne Ventiltaschen
10: distales Ende
11: Ventilschaft
12: Ventilteller
13: Kolbenmulde
14: engster Querschnitt
15: Erweiterung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

MTZ 11/2007 Jahrgang 68 „Der neue Vierzylinder-Dieselmotor von BMW – Teil 1: Konzept, Mechanik und Gemischbildung” [0005]
30. Internationalen Wiener Motorensymposium 2009 von der Toyota Motor Corporation, Japan, veröffentlichten Schrift „Improvement of Diesel Engine Performance by Variable Train System – Leistungsverbesserung von Dieselmotoren durch variable Ventilsteuerung” [0007]

Claims

Verfahren zur Steuerung der Ladung eines Brennraums (3) einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei hinsichtlich ihres jeweiligen durchsetzbaren Massenstroms (4, 5) steuerbaren Einlasskanälen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen zur Erzeugung von niedrigerem Drall (1) und/oder durch einen zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildeten Einlasskanal (2) in den Brennraum (3) eingebracht wird, und Massenstromeinträge (4, 5) der Einlasskanäle (1, 2) unabhängig voneinander gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten, als Spiralkanal ausgebildeten Einlasskanal (1) niedrigerer Drall, und mit dem zweiten, als Tangentialkanal ausgebildeten Einlasskanal (2) höherer Drall erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine der Massenstromeintrag (4) durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall (1) vor oder weitgehend zeitgleich zusammen mit dem Massenstromeintrag (5) durch den Einlasskanal mit höherem Drall (2) beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters ein Referenzschließzeitpunkt (ES_R) bestimmt wird, und wenigstens für einen bestimmten Betriebsparameterwert oder Betriebsparameterbereich ein Schließzeitpunkt (ES₁) eines Steuermittels (6) zur Beendigung des Massenstromeintrags (4) durch den Einlasskanal mit niedrigerem Drall (1) und ein Schließzeitpunkt (ES₂) eines Steuermittels (7) zur Beendigung des Massenstromeintrags (5) durch den Einlasskanal mit höherem Drall (2) im Bezug auf den Referenzschließzeitpunkt (ES_R) gewählt werden, und der erste Schließzeitpunkt (ES₁) früher als der zweite Schließzeitpunkt (ES₂) gewählt wird
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzschließzeitpunkt (ES_R) in Abhängigkeit eines vorgegebenen Istwerts und/oder Sollwerts der Motordrehzahl und/oder des Massenstroms (4, 5) in wenigstens einem Einlasskanal (1, 2) und/oder der Last der Brennkraftmaschine und/oder einer davon abhängigen Größe vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzschließzeitpunkt (ES_R) ein für die Brennkraftmaschine vorbestimmter oder vorbestimmbarer Zeitpunkt oder der Zeitpunkt, zu dem bei vorgegebener Motordrehzahl der Rückstrom von Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in wenigstens einen Einlasskanal (1, 2) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Einlasskanal (1, 2) eine Drallklappe stufenweise oder stufenlos verstellt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Steuerung der Ladung eines Brennraums (3) eines Hubkolbenmotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzschließzeitpunkt (ES_R) zwischen weitgehend 180 und 220 Grad Kurbelwinkel, ein Schließzeitpunkt (ES₁) für den Einlasskanal mit niedrigerem Drall (1) zwischen weitgehend 5 und 70 Grad Kurbelwinkel früher als der Referenzschließzeitpunkt (ES_R), und ein Schließzeitpunkt (ES₂) für den Einlasskanal mit höherem Drall (2) zwischen weitgehend 5 und 20 Grad Kurbelwinkel später als der Referenzschließzeitpunkt (ES_R) bestimmt wird.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 4 zur variablen Steuerung von Einlassventilen (6, 7) von mit drallerzeugenden Einrichtungen versehenen Einlasskanälen (1, 2) einer Brennkraftmaschine.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens zwei Einlasskanälen (1, 2) zum Einbringen von Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum (3) einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Einlasskanal (1) zur Erzeugung von niedrigerem Drall, und ein zweiter Einlasskanal (2) zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildet ist, und Massenstromeinträge (4, 5) der Einlasskanäle (1, 2) unabhängig voneinander steuerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlasskanal (1) als Spiralkanal, und der zweite Einlasskanal (2) als Tangentialkanal ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tangentialkanal (2) in Richtung zum Brennraum (3) der Brennkraftmaschine düsenförmig (8) verjüngt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (1, 2) in Richtung zum Brennraum (3) hin mit Einlassventilen (6, 7) versehen sind, und dass die Vorrichtung ferner ein Steuergerät umfasst, welches in Abhängigkeit wenigstens eines vorgegebenen Betriebsparameters der Brennkraftmaschine vorbestimmte Schließzeitpunkte (ES₁, ES₂) für die Einlassventile (6, 7) zum Schließen des ersten Einlassventils (6) zum ersten Schließzeitpunkt (ES₁) und zum Schließen des zweiten Einlassventils (7) zum zweiten Schließzeitpunkt (ES₂) ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mindestens einen Kolben (9) ohne Ventiltaschen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch ein Steuergerät zur Steuerung der Schließung wenigstens zweier Einlasskanäle (1, 2) einer Brennkraftmaschine, wobei der erste Einlasskanal (1) zur Erzeugung von niedrigerem Drall und der zweite Einlasskanal (2) zur Erzeugung von höherem Drall ausgebildet ist, und das Steuergerät zur Ermittlung unabhängiger Schließzeitpunkte (ES₁, ES₂) für Einlassventile (6, 7) der Einlasskanäle (1, 2) und zur Bestimmung eines Referenzschließzeitpunkts (ES_R) und zur Festlegung eines früheren Schließzeitpunkts (ES₁) für den Einlasskanal (1) mit niedrigerem Drall sowie zur Festlegung eines späteren Schließzeitpunkts (ES₂) für den Einlasskanal (2) mit höherem Drall im Bezug auf den Referenzzeitpunkt (ES_R) ausgebildet ist.