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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit schaltbarem oder kontinuierlich variablem Ventiltrieb:
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Zur Betätigung der Einlassventile
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Die Einlassventilöffnung (Einlass öffnet, EÖ) muss für maximale Füllung (und minimale Druckverluste/Ladungsverluste) mit Frischgas zwischen Ausschiebetakt und Ansaugtakt in der Nähe des oberen Totpunkts der Kolbenbewegung erfolgen. Es existieren jedoch Betriebszustände, bei denen ein deutlich früheres EÖ vorteilhaft ist, z.B.:
- a. Zur internen Abgasrückführung
- b. Für „spülenden Ladungswechsel“, d.h. zur Erhöhung des Luftaufwands um den Turbolader in einem günstigeren Bereich zu betreiben und Restgas aus dem Zylinder zu spülen.
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Zur Betätigung der Auslassventile
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Die Auslassventilöffnung (Auslass öffnet, AÖ) muss für maximale Expansionsarbeit (Nutzarbeit) und minimale Ausschiebearbeit (Ladungswechselverluste) zwischen Expansionstakt und Ausschiebetakt in der Nähe des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung erfolgen. Es existieren jedoch Betriebszustände, bei denen ein deutlich früheres AÖ vorteilhaft ist, z.B.:
- a. Zur Erhöhung der Abgastemperatur, um nach einem Kaltstart die Systeme der Abgasnachbehandlung schneller auf Betriebstemperatur zu bringen.
- b. Zur Erhöhung der Enthalpie vor der Turbine des Abgasturboladers, um die Laderdrehzahl und damit den Ladedruck anzuheben.
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1 zeigt einen variablen Ventiltrieb mit bekannter Standardhubkurve. Ein früheres Ventilöffnen ist in begrenztem Umfang in Kombination mit einem Nockenwellenversteller möglich, siehe 2. Grenzen bestehen durch den Verstellbereich und durch VentilKolben-Kollision.
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3 zeigt einen variablen Ventiltrieb mit sogenannter Bootlift Hubkurve gemäß
EP 0 936 132 B1 : Verbrennungsmotor mit Einlassventilen mit variabler Betätigung und einem stiefelförmigen Hubprofil mit einem Profilsegment mit konstantem Hub. Mit einer Bootlift Hubkurve kann das Ventilöffnen deutlich früher erfolgen, ohne dass Ventil-Kolben-Kollision auftritt. In Kombination mit einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung, die bei Fa. Schaeffler als UniAir und nachfolgend kurz als EHVS bezeichnet wird, bietet ein Bootlift im Bereich des konstanten Hubs die Möglichkeit, das Schaltventil zu schließen und ohne Einbußen des dynamischen Verhaltens im Aktuator der EHVS auch bei hohen Drehzahlen nur den Haupthub (ohne Boot) zu verwenden, wie es für hohe Lastanforderung notwendig ist. Der über eine gewisse Länge konstante Hub ist geeignet, auch bei Variationen der elektrischen Schaltzeiten das Motorventil stets mit dem gleichen Winkel zu öffnen.
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Zumindest im Bereich mit konstantem Hub ist selbst in Verbindung mit einem kontinuierlich variablen Ventiltriebsystem kein Ventilöffnen möglich, was die Steuerbarkeit erheblich einschränkt, siehe 3. Durch den durch Leckage der EHVS verursachten Hubverlust ist die Variabilität mit einem Bootlift noch weiter eingeschränkt. Bei hohen Drehzahlen besteht in Verbindung mit der EHVS aus dynamischen Gründen nur in sehr geringem Maße die Möglichkeit, den Ventilöffnungswinkel zu variieren.
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Durch eine geänderte Hubkurve sollen gegenüber der bekannten Bootlift Hubkurve folgende Verbesserungen erzielt werden:
- - Ein Ventilöffnen soll kontinuierlich zwischen frühestmöglichem und spätestmöglichem Öffnungswinkel ermöglicht werden.
- - Einschränkungen, die sich durch Leckage der EHVS ergeben, sollen vermieden bzw. vermindert werden.
- - Durch geeignete Auslegung der Hubkurve soll eine eingeschränkte Variabilität des Öffnungswinkels auch bei hohen Drehzahlen erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit variabler Betätigung der Gaswechselventile hat eine kinematische Hubkurve, die aus einem Haupthub, einem Vorhub und einem Nachhub besteht.
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Der Beschleunigungsverlauf der Hubkurve enthält im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik sechs Nulldurchgänge mit Vorzeichenwechsel während des Ventilhubs, das heißt er ist aus insgesamt vier positiven und drei negativen Beschleunigungsabschnitten zusammengesetzt, siehe 4. Aufgeteilt werden diese Beschleunigungsabschnitte in die drei Bereiche Vorhub, Haupthub und Nachhub. Für Einlass und Auslass gleichermaßen beginnt:
- - der Vorhub mit Beginn der Hubkurve und endet mit dem zweiten Wendepunkt.
- - der Haupthub ab dem zweiten Wendepunkt und endet mit dem vierten Wendepunkt
- - der Nachhub ab dem vierten Wendepunkt und dauert an bis zum Ende der Hubkurve
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Weiterhin weist der Ventilhubverlauf im Gegensatz zum Bootlift einen streng monotonen Anstieg bis zum maximalen Hub auf, so dass die Ventilbewegung nicht vor Beginn des Haupthubs gestoppt oder die Bewegungsrichtung geändert wird, siehe 4. Für den Beschleunigungsverlauf des Ventilhubes am Einlass und Auslass ergeben entsprechend vorteilhafte Positionen der Wendepunkte, welche weiter unten diskutiert werden.
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Um eine solche Hubkurve in Verbindung mit einer EHVS nutzen zu können, wurden bei der Entwicklung folgende Voraussetzungen geschaffen:
- - Die Auslegungswerkzeuge für die Hubkurve wurden so verbessert, dass auch bei maximaler Drehzahl ein Ventilöffnen dynamisch beherrscht werden kann, wenn kein konstanter Hubbereich vorhanden ist.
- - Die Ansteuerung des Schaltventils, u.a. die Kompensation der Schaltzeiten, erfolgt durch die Ansteuersoftware inzwischen sehr robust, wodurch ein Schließen des Schaltventils in einem dynamisch ungünstigen Bereich ausgeschlossen werden kann.
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In Verbindung mit der EHVS ergeben sich für die Nutzung einer solchen Hubkurve vorteilhafte Winkelpositionen der Wendepunkte je nachdem, ob es sich um Einlass- oder Auslassventil handelt, siehe 4 bzw. 5 und 6.
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Innerhalb der Hubkurve kann das Ventil zu beliebigen Zeitpunkten geöffnet werden. Die minimale Steigung der Hubkurve wird dabei so gewählt, dass bei maximaler Leckage (hohe Öltemperatur, niedrige Drehzahl) der Ventilhub immer noch monoton ansteigt, gleichzeitig jedoch akzeptables dynamisches Verhalten bei hohen Drehzahlen erzielt wird.
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Der Nachhub, der prinzipiell einem gespiegelten Vorhub entspricht, wird in Verbindung mit EHVS am Einlassventil folgendermaßen genutzt:
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Der Betriebsmodus „frühes Ventilschließen“ wird dazu verwendet, die zur Motorlast passende Luftmenge durch einen passenden Schließzeitpunkt des Einlassventils einzustellen:
- - Für hohe Last wird mit einem Einlassschluss in der Nähe des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung vor der Verdichtung die maximal mögliche Luftmenge im Zylinder eingeschlossen.
- - Für geringere Last kann mit früherem oder späterem Einlassschluss die entsprechende Luftmenge eingestellt werden
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Im Betriebsmodus „frühes Ventilschließen“ hängen die hydraulischen Verluste in erster Linie vom Ventilhub im Augenblick des Schaltventilöffnens ab, d.h. je höher der Hub, desto höher die hydraulische Dissipation in der EHVS.
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Um im Teillastbereich eine drosselfreie Laststeuerung mit geringen hydraulischen Verlusten vornehmen zu können, wird mit der gezeigten Hubkurve folgendes Konzept verfolgt:
- - Bei sehr niedrigen Motorlasten ist die erforderliche Luftmenge gering und kann mit sehr frühem Einlassschluss und damit geringen hydraulischen Verlusten eingestellt werden.
- - Bei mittlerer Motorlast ist die erforderliche Luftmenge vergleichsweise höher, was zu einem späteren Einlassschluss und damit zu höheren Ventilhüben und hydraulischen Verlusten führt. Ein Strategiewechsel hin zu spätem Einlassschluss kann sich dann vorteilhaft auswirken:
- - Die zu späten Schließzeitpunkten reduzierten Ventilerhebungen erhöhen im Vergleich zu einer konventionellen, verbreiterten Ventilhubkurve den Strömungswiderstand beim Ausströmen aus dem Zylinder.
- - Solange diese Pumpverluste jedoch niedrig sind (z.B. bei niedrigen Drehzahlen und genügend hohem Ventilhub), überwiegt die Verringerung der hydraulischen Verluste durch Hubreduzierung und ein später Einlassschluss stellt dann einen vorteilhaften Betriebsmodus dar.
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1 und 2: Die mit einem standardmäßigen, mechanischen Ventiltrieb mit Nockenwellenversteller darstellbaren Ventilhubkurven beschränken die erreichbare AGR-Rate auf ein gewisses Maß. Die Beschränkung der AGR-Rate ergibt sich aus:
- - dem maximalen Nockenwellen-Verstellwinkel
- - der Kollision mit dem Kolben
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Der Bedarf für eine höhere AGR-Rate existiert zumindest für mittlere Lastpunkte.
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3 zeigt eine Ventilhubkurvenschar eines sogenannten „Bootlifts“, der mit einer vollvariablen, elektrohydraulischen Ventiltrieb erzeugbar ist. Ein derartiger Ventiltrieb ist unter der Bezeichnung „Multiair“ der Firma Fiat Chrysler Automobile bekannt. Dabei bieten spezifische Formen der maximalen kinematischen Ventilhubkurve die Möglichkeit deutlich erhöhter AGR-Raten. Die AGR-Rate kann jedoch nicht kontinuierlich verändert werden, da mit einem solchen Ventiltriebsystem das Motorventil während konstanter Abschnitte des Pumpenhubs nicht geöffnet werden kann.
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Der in 3 mit „s“ bezeichnete, konstante Abschnitt mit nicht-kontinuierlichem, variablem Ventilöffnen stellt jedoch eine definierte Ventilöffnung bereit, wenn der „Bootlift“ nicht verwendet wird (definierter Ventilöffnungswinkel).
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Leckage - besonders bei hoher Temperatur und niedriger Motordrehzahl - kann zu starken Abweichungen der AGR-Rate führen.
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Einschränkung der AGR - Rate infolge:
- - konstanten Abschnitts des Pumpenhubs
- - unterschiedlicher Leckagen
- - dynamischen Verhaltens des Systems
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4a zeigt eine Kurvenschar einer erfindungsgemäßen Einlasshubkurve mit Vor- und Nachhub, die mit der EHVS erzeugbar ist. Um den Abschnitt mit nicht-variabler AGR zu eliminieren, wurde eine Kontur der Pumpenerhebung mit einer streng monoton ansteigenden Pumpenerhebung während der Auflaufphase entwickelt, die sich im Kurbelwinkelbereich des waagerechten Pfeils erstreckt. In diesem Winkelbereich ist die AGR-Rate kontinuierlich variabel. Die Pumpenerhebung besteht aus Abschnitten mit mehreren Wendepunkten einschließlich Vorzeichenwechsel.
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Dabei sind zwei Hauptkriterien zu berücksichtigen:
- - Der Vorhubabschnitt, der für die AGR-Steuerung verwendet wird, muss den Einfluss von Leckagen verringern. Durch den höheren/ansteigenden Ventilhub wird der relative Fehler kleiner
- - Der Haupthubabschnitt der Pumpenerhebung, der zu einer minimierten AGR-Rate führt, muss noch maximale Motordrehzahlen erlauben, daher muss das dynamische Verhalten des Systems noch akzeptabel sein.
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Der Endteil des Vor-/Nachhubabschnitts wird bei mittlerer Motorlast für eine Atkinson-Entdrosselung verwendet und ist für die AGR-Steuerung nicht relevant. Die Höhe dieses Nachhubabschnitts muss ausgeglichen werden:
- - Geringe Pumpverluste und geringe hydraulische Verluste bei spätem Schließvorgang
- - Spätest mögliches Ventilschließen (Atkinson) muss die niedrigste Motorlast bei reduziertem Nockenbetrieb sicherstellen (Ventilhub startet mit Hauptteil).
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Die 4b und 4c zeigen die zur Einlasshubkurve zugehörige Ventilgeschwindigkeit und -beschleunigung in mm/rad bzw. mm/rad2 über dem Kurbelwinkel. Aufgrund der spezifischen Form des Hubprofils wird es in folgende Abschnitte aufgeteilt:
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Der Vorhubabschnitt beginnt mit dem Beginn des Ventilhubs, der vorteilhafterweise im Bereich von 190° bis 220° Kurbelwinkel liegt und am zweiten Wendepunkt endet.
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Typischerweise definieren die Positionen der ersten und zweiten Wendepunkte die Länge und Höhe am Ende des Vorhubabschnitts:
- 1. Wendepunkt: 220° - 260° Kurbelwinkel
- 2. Wendepunkt: 245° - 290° Kurbelwinkel
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Im Gegensatz zum derzeitigen Stand der Technik umfasst der Vorhubabschnitt einen monoton ansteigenden Ventilhub, wobei die Geschwindigkeit des Ventils bei Punkt 2 ein positives lokales Minimum aufweist. Der Wert dieser Geschwindigkeit wird so gewählt, dass Leckageeffekte gemildert und gleichzeitig auf eine Obergrenze beschränkt werden, die überwiegend durch Länge und Höhe des Vorhubs sowie die Position des maximalen Öffnungspunkts definiert wird.
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Günstige Geschwindigkeiten am Wendepunkt 2 liegen im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm/rad in Bezug auf den Kurbelwinkel.
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Der Haupthubabschnitt beginnt mit dem zweiten Wendepunkt und endet mit dem 4. Wendepunkt. Die Position des dritten Wendepunktes wird hauptsächlich durch folgende Kriterien eingeschränkt:
- - Maximal zulässiger Gradient
- - Abstand Kolben zu Ventil
- - Position der Nockenspitze (maximaler Öffnungspunkt)
und liegt vorzugsweise zwischen 390 und 410° Kurbelwinkel.
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Der Nachhubabschnitt beginnt mit dem 4. Wendepunkt und dauert bis zum Ende des Ventilhubs (680 bis 720° Kurbelwinkel). Die Position des 4. Wendepunkts wird durch die Position des maximalen Öffnungspunkts und die Hubhöhe während des Nachhubabschnitts definiert. Die anderen Wendepunkte liegen wie folgt:
- Nr. 4: 220° bis 260° Kurbelwinkel
- Nr. 5: 245° bis 290° Kurbelwinkel
- Nr. 6: 640° bis 670° Kurbelwinkel
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Die Ventilgeschwindigkeit am Wendepunkt Nr. 5 kann negativ sein, um das dynamische Verhalten bei höheren Motordrehzahlen zu verbessern, kann aber auch positiv sein, wenn die zweite Spitze bei hohen Motordrehzahlen nicht verwendet wird.
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4d zeigt eine typische UniAir-Ventilhubkurvenschar im frühen Ventilschließt-Modus mit Vor- und Nachhubprofil und folgenden Parametern:
- Motordrehzahl: 1400 rpm
- Temperatur: 90°C
- Gaskräfte: -
- Öffnungswinkel: 355,5° Kurbelwinkel
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Analog zur Einlassseite wird das Auslassprofil auch gemäß den 5 und 6 in Abschnitte aufgeteilt:
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Ein Vorhubabschnitt mit optionalem frühem Auslassöffnen kann in ähnlicher Weise wie auf der Einlassseite verwendet werden, jedoch aus unterschiedlichen Gründen:
- - Eine frühe Ventilöffnung kann verwendet werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen, die einen positiven Einfluss auf die Aufheizzeit des Katalysators/Speicherkatalysators hat und auch die Reinigungszeit im Partikelfilter-Regenerationsmodus verbessert.
- - Wenn der Motor über einen Turbolader verfügt, kann die sofortige Freigabe eines hohen Zylinderdrucks bei einer frühen Ventilöffnung verwendet werden, um die Ansprechzeit des Turboladers zu verbessern, was dazu beiträgt, das Turboloch zu mildern.
- - Ähnlich der Einlassseite gibt es auch günstige Positionen der Wendepunkte auf der Auslassseite:
- Nr. 1: 75° bis 100° Kurbelwinkel
- Nr. 2: 105° bis 125° Kurbelwinkel
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Am Wendepunkt 2 ist der gleiche Ventilgeschwindigkeitsbereich wie auf der Einlassseite bevorzugt.
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Die Wendepunkte des Haupthubabschnitts müssen definiert werden zur Optimierung von niedrigen Pumpverlusten bei hohen Motordrehzahlen sowie Milderung von Expansionsverlusten bei niedrigen Motordrehzahlen. Letztere lassen sich durch spätes Ventilöffnen reduzieren, was gleichzeitig zu erhöhten Pumpverlusten am Ladungswechsel-OT (Zwischenkompression) führen kann.
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Bevorzugte Positionen für den dritten und den vierten Wendepunkt sind:
- Nr. 3: 175° bis 185° Kurbelwinkel
- Nr. 4: 300° bis 320° Kurbelwinkel
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Der Nachhubabschnitt:
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Anders als auf der Einlassseite wird eine Wiedereröffnung oder Verlängerung des Auslassventilhubs signifikant mit dem Einlassventilhub überlappen. Diese Ventilbetätigung kann für das Spülen (scavenging) verwendet werden, wo das Restabgas aus dem Zylinder gespült wird, was zu einer erhöhten Zylinderladung führt. Dies ist jedoch von einer positiven Druckdifferenz zwischen Ansaugkrümmer und Abgaskrümmer abhängig. Wenn die Druckdifferenz negativ ist, kann dieser Betätigungsmodus verwendet werden, um die interne Abgasrückführung kontinuierlich zu verändern, die für eine „softe“ Erwärmung oder sogar für eine CAI-Verbrennungssteuerung verwendet werden kann.
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Aufgrund der Tatsache, dass der Zylinderkolben mit dem Ventil kollidieren kann (abhängig vom Verdichtungsverhältnis, Form des Zylinderkopfs und der Ventiltaschen), müssen die Ventilgeschwindigkeiten am Wendepunkt Nr. 5 im Vergleich zur Einlassseite üblicherweise höher sein, um:
- - einen ausreichenden Ventilöffnungsquerschnitt zu erzeugen, um geringe Pumpverluste zu erzeugen.
- - den Hubverlust aufgrund von Leckagen während des Haupthubabschnitts zu kompensieren.
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Die Verlagerung des 5. Wendepunktes auf eine spätere Position in Verbindung mit einer dazwischen liegenden Grundkreisphase (siehe 6) bietet die Möglichkeit, den Aktor der elektrohydraulischen Ventilsteuerung wieder aufzufüllen und den Ventilhub des Auslassventils in zwei separate Ereignisse aufzuteilen.
- Nr. 5: 405° bis 450° Kurbelwinkel
- Nr. 6: 500° bis 525° Kurbelwinkel
Der Pumpenhub endet bei 560° bis 580° Kurbelwinkel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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