DE10201188A1

DE10201188A1 - Verfahren zum Laden des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Einlassöffnung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10201188A1
Application number: DE10201188A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dengler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2003-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugkraft, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Einlassöffnung, bei welchem während des Ansaugtaktes die Einlassöffnung in einer ersten Phase geöffnet, in einer anschließenden zweiten Phase geschlossen und in einer daran anschließenden dritten Phase wieder geöffnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Einlassöffnung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Viertaktbetrieb mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt wird üblicherweise im Ansaugtakt das zur Verbrennung bestimmte Gas durch die Einlassöffnungen der Einlassventile aus dem Ansaugtrakt in den Brennraum eingesaugt. Hierzu wird ein Einlassventil zu Beginn des Einlasstaktes geöffnet, der Kolben saugt das Gas bei seiner Abwärtsbewegung zum unteren Totpunkt im Zylinder durch die Einlassöffnung aus dem Ansaugtrakt und am Ende des Ansaugtaktes wird das Einlassventil wieder verschlossen. Der Grad der Füllung ist maßgebend für die bei der anschließenden Verbrennung über den Kolben übertragbaren Kräfte. Besonders bei Volllast ist eine Erhöhung des Füllungsgrades wünschenswert.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, in einfacher Weise den während des Ansaugtaktes erzielbaren Füllungsgrad des Brennraum der Brennkraftmaschine zu erhöhen.

Erfindungsgemäß gelöst wird das Problem durch das Verfahren zum Laden des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Auslassöffnung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, bei welchem während des Einlasstaktes die Einlassöffnung in einer ersten Phase geöffnet, in einer anschließenden zweiten Phase geschlossen und in einer daran anschließenden dritten Phase wieder geöffnet ist. Ebenso wird das Problem erfindungsgemäß durch die Ausbildung einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 10 zur Durchführung des Verfahrens gelöst.

In der ersten Phase kann bereits eine erster großer Anteil des Gases in den Brennraum im Brennraum eingesaugt werden und bewirkt eine Grundfüllung. Danach wird in der zweiten Phase im Brennraum der Druck reduziert. In der dritten Phase wird mit Öffnen der Einlassöffnung aufgrund des reduzierten Druckes eine Druckwelle im Ansaugtrakt in Richtung Luftsammler und zurück in Richtung Brennraum ausgelöst. Wenn die Druckwelle mit Ihrem Druckwellenberg im Brennraum angekommen ist, wird ein Rückströmen durch Schließen der Einlassöffung am Ende der dritten Phase verhindert. Auf diese Weise kann nach einer ersten Grundfüllung in der ersten Phase durch die Nutzung der Druckwelle innerhalb der dritten Phase der Füllungsgrad gegenüber der herkömmlichen Füllung erhöht werden.

Besonders wirkungsvoll ist das Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 2, wobei die erste Phase länger dauert als die zweite und als die dritte. Hierdurch kann bereits in der ersten Phase eine Grundfüllung mit hohem Füllungsgrad erzielt werden. Durch die Impulsaufladung der dritten Phase kann somit bereits ausgehend von einer guten Grundfüllung der Füllungsgrad erhöht werden. Besonders wirkungsvoll ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 3, bei dem die erste Phase länger dauert als die beiden anderen zusammen Einer ersten lange dauernden und somit besonders effektiven Grundfüllung folgt eine Unterdruckerzeugung und eine kurze und somit besonders effektive Druckwellenladung. Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 4, wobei die zweite Phase länger dauert als die dritte, so dass mehr Zeit für die Unterdruckerzeugung als für die Druckwellenladung zur Verfügung gestellt wird. Auf diese Weise kann der Ladevorgang besonders wirkungsvoll gestaltet werden.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 5, wobei der Verbrennungsmotor ein Hubkolbenmotor ist, dessen Hubkolben sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegt. Die Umsetzung des Ladevorganges mit drei Phasen im Ansaugtakt ist bei einem derartigen Verfahren besonders wirkungsvoll möglich. Die Steuerung des Öffnens und Schließens der Einlassöffnung während des Einlasstakts lässt sich hierdurch sehr einfach und wirkungsvoll verwirklichen. Die drei Phasen sind bei einem derartigen Verfahren individuell entsprechend den jeweiligen Anforderungen an das Einlassverhalten optimal anpassen.

Bevorzugt ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 6, bei dem die dritte Phase vor dem Erreichen des unteren Totpunktes des Ansaugtaktes durch Schließen der Einlassöffnung beendet wird.

Das Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 7, wobei die dritte Phase bei Erreichen einer oberen, vorgegebenen Schwelle für den Druck im Brennraum durch Schließen der Einlassöffnung beendet wird, ermöglicht in einfacher Weise eine den jeweiligen Erfordernissen angepasste optimale Ausnutzung der Impulsentladung. Hierdurch lässt sich in Phasen, in denen ein möglichst hoher Füllungsgrad gewünscht ist, im Zeitpunkt bevor der Druckwellenberg im Brennraum wieder aus dem Brennraum zurückschwappt, die Einlassöffnung verschließen. Der Füllungsgrad kann hierdurch optimiert werden.

Ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 8, bei dem die Einlassöffnung mittels steuerbarem Einlassventil geöffnet und geschlossen wird, ermöglicht eine sehr zuverlässige einfache Öffnung und Schließung der Einlassöffung mit bewährten Mitteln.

Ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 9, wobei die Steuerung durch entsprechend im Motorsteuergerät gespeicherter Kennwerte für die Öffnung und die Schließung der Einlassöffnungen erfolgt, ermöglicht eine sehr zuverlässige einfache Öffnung und Schließung der Einlassöffnung mit bewährten Mitteln, wobei die Steuerdaten zur Ausnutzung einer möglichst den individuellen Wünschen entsprechend erzeugten und ausgenutzten Druckwelle hierdurch optimal gespeichert und bei Bedarf mit Messdaten abgeglichen und zur Ladung ausgenutzt werden können.

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 11.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Fig. 1 bis 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 schematische Querschnittsdarstellung durch eine fremdgezündete, vierzylindrige Viertakt-Brennkraftmaschine mit elektromagnetischer, vollvariabler Ventilsteuerung und Abgaskomponenten mit einem Katalysator;
Fig. 2 Diagramm des geöffneten Einlassquerschnitts A eines Einlassventils über dem Kurbelwellenwinkel β während des Ansaugtaktes
Eine fremdgezündete, vierzylindrige Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine 2 weist einen Zylinderblock 3 und einen Zylinderkopf 4 auf. Im Zylinderkopf 4 sind ein Einlassventil 8 und ein Auslassventil 10 für den Gaswechsel angeordnet. Die Ventile 8,10 werden über elektromagnetische Stelleinrichtungen 12,14 betätigt, wobei diese vollvariable Ventilsteuerung über ein elektronisches Steuergerät 16 gesteuert wird. Im elektronischen Steuergerät 16 sind in bekannter Weise Kennfelder mit den Betriebsdaten der Brennkraftmaschine 2 zugrundeliegenden Parametern abgelegt.
An die von den Auslassventilen 10 gesteuerten Abgaskanäle 20 im Zylinderkopf 4 ist über einen nicht dargestellten Abgassammler ein Abgasvorrohr 22, ein Katalysator 24 (z. B. ein Dreiwege-Katalysator oder ein NO_X-Adsorber), ein daran anschließendes Abgasrohr 26 und ein Schalldämpfer 28 mit einem Endrohr 30 angeschlossen. Der Katalysator 24, der auch ein Startkatalysator mit einem dahinter angeordneten weiteren Katalysator sein kann, ist möglichst nahe an der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Der Katalysator 24 ist mit einem Temperatursensor 32 ausgestattet, der über eine elektrische Leitung 34 mit dem Steuergerät 16 verbunden ist.
Die Brennkraftmaschine 2, die in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, wird über ein Leistungssteuerglied bzw. ein Gaspedal 38 und ein nicht näher dargestelltes Betätigungsgestänge 40 leistungsgesteuert. Im Bereich des Gestänges 40 ist ein Geber 42 vorgesehen, der die Lastanforderung α an die Brennkraftmaschine 2 über eine elektrische Leitung 44 dem Steuergerät 16 angibt.
Neben der üblichen Steuerung der Ventile 8,10 zum Gaswechsel der Brennkraftmaschine 2 im bekannten Viertakt-Prinzip im Kompressionstakt, im Arbeitstakt und im Ausschiebetakt wird im Ansaugtakt die elektromagnetische Stelleinrichtung 12 für die Einlassventile 8 zunächst, wie in Fig. 2 dargestellt ist, bei einem Kurbelwellenwinkel β₀, der dem Kurbelwellenwinkel β_OT = 0° in der oberen Totpunktposition 5" des Hubkolbens 5 entspricht, angesteuert und es werden die Einlassventile 8 ein erstes Mal geöffnet. Die Einlassventile 8 bleiben mehr als die Hälfte des Ansaugtaktes hindurch geöffnet und werden dann durch Ansteuerung bei einem Kurbelwellenwinkel β₁ = 120° geschlossen. Während dieser ersten Öffnungsphase wird zur Verbrennung bestimmtes Frischgas durch die Einlassöffnungen der geöffneten Einlassventile 8 eingefüllt.
Nach Schließen der Einlassventile 8 bewegt sich der Hubkolben 5 weiter in Richtung seiner unteren Totpunktstellung 5.. Dabei wird der Druck im Zylinder reduziert. Bei einem Kurbelwellenwinkel β₂ = 160° werden die Einlassventile 8 noch einmal kurzzeitig angesteuert und es werden die Einlassventile 8 entsprechend geöffnet. Aufgrund des durch die Druckreduktion erzeugten Unterdrucks im Brennraum gegenüber dem Ansaugtrakt wird eine Druckwelle im Ansaugtrakt erzeugt, die vom Brennraum aus durch den Ansaugtrakt läuft, am Luftsammler reflektiert wird und zurück in Richtung Brennraum sich bewegt. Dabei bewirkt die Druckwelle, dass das frische zur Verbrennung bestimmte Gas durch die geöffneten Einlassöffnungen der Einlassventile und unterstützt von dem weiter in Richtung untere Totpunktstellung 5 nach unten bewegten Hubkolben 5 strömt und dass der Brennraum mit druckwellenartig verdichtetem Gas gefüllt wird. Die wellenartige Verdichtung entspricht einer wellenartigen Druckveränderung im Brennraum. Der Druck im Brennraum schwillt an. Im Bereich des Maximums des Drucks im Brennraum werden die Einlassöffnungen durch entsprechende Ansteuerung der Einlassventile 8 bei einem Kurbelwellenwinkel β₃ = 180° geschlossen.
Dabei sind in dem Steuergerät 16 Kennfelder abgelegt, mittels derer dieses zweite kurzzeitige Öffnen abhängig von der Drehzahl, der Last α, der Temperatur T des Katalysators 24, und noch anderer Parameter gesteuert wird. Der Schließzeitpunkt wird in Abhängigkeit dieser oder anderer geeigneter Parameter unter Heranziehung von abgelegter Kenngrößen für den Druckverlauf in der Brennkammer im Bereich des erwarteten Druckmaximums bestimmt oder aufgrund von Messungen des Drucks im Bereich des gemessenen Druckmaximums bestimmt.
In einer Ausführung wird der Öffnungszeitpunkt der zweiten Öffnung zu einer Kurbelwellenwinkelstellung β₂ so gewählt, dass die verbleibende Restphase des Ansaugtaktes bis zum Erreichen des unteren Totpunktes der ermittelten Phase für die Druckwellenladung bis zum Erreichen des Druckmaximums im Brennraum entspricht. Der Kurbelwellenwinkel β₂ des zweiten Schließzeitpunkts entspricht in diesem Fall dem Kurbelwellenwinkel β_UT im unteren Totpunkt des Hubkolbens 5: β₂ = β_UT.
Entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die Brennkraftmaschine kann der Zeitpunkt der ersten Öffnung bei dem Kurbelwellenwinkel β₁ auch bereits kurz vor oder kurz nach dem oberen Totpunkt des Hubkolbens gewählt sein.
Die Einlassventile 8 können über das Steuergerät 16 auch so geöffnet und geschlossen werden, dass nur in bestimmten Betriebszuständen - beispielsweise bei Volllast, in denen eine besonders wirkungsvolle Ladung des Brennraums gewünscht ist -, der Ansaugtakt, wie in den Ausführungen dargestellt mit den drei Phasen aus Öffnen mit Grundladung, Zwischenschließen mit Druckreduktion und Nachladung durch Impulsaufladung betrieben wird. In anderen Betriebszuständen wird der Ansaugtakt in herkömmlicher Weise mit einmaligem Öffnen betrieben.
Je nach Anforderungen können auch nur einzelne besonders wirkungsvoll zu ladende Zylinder einer Brennkraftmaschine im Ansaugtakt, wie in den Ausführungen dargestellt mit den drei Phasen aus Öffnen mit Grundladung, Zwischenschließen mit Druckreduktion und Nachladung durch Druckwellenladung betrieben wird. Die anderen Zylinder können dann in ihrem Ansaugtakt in herkömmlicher Weise mit einmaligem Öffnen betrieben werden.
Die Ventilsteuerung ist in bekannter Weise vollvariabel hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch.
Die Ventilbetätigung kann auch in anderer Ausführung erfolgen. Beispielsweise kann auch eine nockengesteuerte Ventilbetätigung (mechanisch) eingesetzt sein. BEZUGSZEICHENLISTE 2 Brennkraftmaschine
3 Zylinderblock
4 Zylinderkopf
5 Hubkolben
8 Einlassventil
10 Auslassventil
12 Stelleinrichtung
14 Steileinrichtung
16 Steuergerät
20 Abgaskanäle
22 Abgasvorrohr
24 Katalysator
26 Abgasrohr
28 Schalldämpfer
30 Endrohr
32 Temperatursensor
34 elektrische Leitung
38 Gaspedal
40 Betätigungsgestänge
42 Geber
44 elektrische Leitung

Claims

1. Verfahren zum Laden des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine (2) mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Einlassöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ansaugtaktes die Einlassöffnung in einer ersten Phase geöffnet, in einer anschließenden zweiten Phase geschlossen und in einer daran anschließenden dritten Phase wieder geöffnet ist.

2. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei die erste Phase länger dauert als die zweite und als die dritte.

3. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 2, wobei die erste Phase länger dauert als die beiden anderen zusammen.

4. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 2 oder 3, wobei die zweite Phase länger dauert als die dritte.

5. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor ein Hubkolbenmotor ist, dessen Hubkolben sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegt.

6. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 5, wobei die dritte Phase bis zum Erreichen des unteren Totpunktes des Einlasstaktes durch Schließen der Einlassöffnung beendet wird.

7. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 6, wobei die dritte Phase bei Erreichen einer oberen, vorgegebenen Schwelle für den Druck im Brennraum durch Schließen der Einlassöffnung beendet wird.

8. Verfahren zum Laden des Brennraums den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Einlassöffnung mittels steuerbarem Einlassventil (8) geöffnet und geschlossen wird.

9. Verfahren zum Laden des Brennraums gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuerung durch entsprechend im Motorsteuergerät (16) gespeicherter Kennwerte für die Öffnung und die Schließung der Einlassöffnungen erfolgt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, an einer Brennkraftmaschine (2) mit einem steuerbaren Öffnungs- und Schließelement (8) zum gesteuerten Öffnen und Schließen der Einlassöffnung mit einer Ansteuerung über ein elektrisches Steuergerät (16) zum zweimaligen Öffnen der zumindest einen Einlassöffnung im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine (2).

11. Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 10, an einer Brennkraftmaschine (2) mit einer vollvariablen hydraulischen, pneumatischen und/oder elektrischen Ventilsteuerung mit einer An- Steuerung über ein elektrisches Steuergerät (16) zum zweimaligen Öffnen des zumindest einen Einlassventils (10) im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine (2).