DE102017109017A1

DE102017109017A1 - Verbrennungskolbenmotor und Verfahren zur Steuerung des Ansaugluftvolumenstroms eines Verbrennungskolbenmotors

Info

Publication number: DE102017109017A1
Application number: DE102017109017.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Christgen; Volker Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungskolbenmotor, insbesondere Dieselmotor mit Direkteinspritzung, der zwei separate Einlasskanäle (4, 5) pro Zylinder (2) aufweist, nämlich jeweils einen als Drallkanal wirksamen ersten Einlasskanal (4) und jeweils einen als Füllkanal wirksamen zweiten Einlasskanal (5), welche zur Weiterleitung eines Ansaugluftvolumenstroms über jeweils ein Einlassventil (EV1, EV2) mit den Arbeitsräumen (3) der zugeordneten Zylinder (2) strömungstechnisch verbindbar sind, und bei dem die Füllkanäle (5) zumindest teilweise verschließbar sind. Zur Vermeidung von den Ansaugvolumenstrom (10) beeinträchtigenden Strömungswiderständen des Verbrennungskolbenmotors ist vorgesehen, dass zumindest die Einlassventile (EV2) der Füllkanäle (5) über jeweils ein schaltbares Hubübertragungselement mit zugeordneten Nocken einer Nockenwelle in Stellverbindung sind, und dass die Hubübertragung von den zugeordneten Nocken der Nockenwelle auf die Einlassventile (EV2) zum Öffnen der Füllkanäle (5) durch eine Umschaltung der Hubübertragungselemente unterbrechbar oder auf die Hubübertragung von Nullhubnocken der Nockenwelle umschaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungskolbenmotor, insbesondere einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, der zwei separate Einlasskanäle pro Zylinder aufweist, nämlich jeweils einen als Drallkanal wirksamen ersten Einlasskanal und jeweils einen als Füllkanal wirksamen zweiten Einlasskanal, welche zur Weiterleitung eines Ansaugluftvolumenstroms über jeweils ein Einlassventil mit den Arbeitsräumen der zugeordneten Zylinder strömungstechnisch verbindbar sind, und bei dem die Füllkanäle zumindest teilweise verschließbar sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Steuerung des Ansaugluftvolumenstroms eines Verbrennungskolbenmotors, insbesondere eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung, der zwei separate Einlasskanäle pro Zylinder aufweist, nämlich jeweils einen als Drallkanal wirksamen ersten Einlasskanal und jeweils einen als Füllkanal wirksamen zweiten Einlasskanal, die über jeweils ein Einlassventil mit dem Arbeitsraum des zugeordneten Zylinders verbindbar sind, und von denen die Füllkanäle zumindest teilweise verschließbar sind, wobei die Füllkanäle im Teillastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors geschlossen und im Volllastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors geöffnet werden.
Unter Motorfachleuten ist allgemein bekannt, dass bei einem mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffs versehenen Dieselmotor im Teillastbetrieb eine drallbehaftete Strömung der Ansauglauft in den Arbeitsräumen der Zylinder vorteilhaft ist. Durch die Drallströmung der Ansaugluft wird in den Arbeitsräumen der Zylinder eine weitgehend homogene Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffs mit der Ansaugluft bewirkt, wodurch die Leistungsausbeute erhöht und die Bildung von Rußpartikeln weitgehend vermieden wird. Im Volllastbetrieb eines Dieselmotors ist dagegen eine möglichst große Füllung der Zylinder vorteilhaft, die durch möglichst große Strömungsquerschnitte der Einlasskanäle und einen entsprechend großen Ansaugluftvolumenstrom erzielt werden kann.
Aus der EP 0 214 251 B1 , der DE 43 10 839 A1 , DE 199 42 169 C2 und der DE 10 2004 021 363 B4 sind verschiedene Ausführungen eines mit Direkteinspritzung versehenen Dieselmotors bekannt, der zwei separate Einlasskanäle pro Zylinder, nämlich einen als Drallkanal wirksamen ersten Einlasskanal und einen als Füllkanal wirksamen zweiten Einlasskanal, aufweist. Die Einlasskanäle sind über jeweils ein Einlassventil mit den zugeordneten Arbeitsräumen der Zylinder verbindbar. Die Füllkanäle sind über jeweils eine schwenkbare Steuerklappe zumindest teilweise verschließbar. Im Betrieb des Dieselmotors ist vorgesehen, dass die Steuerklappen im Teillastbetrieb geschlossen und im Volllastbetrieb geöffnet werden.
Neben dem Bau- und Steuerungsaufwand ist an der Verwendung der in den Füllkanälen angeordneten Steuerklappen nachteilig, dass diese auch im geöffneten Zustand einen Strömungswiderstand bilden und somit im Volllastbetrieb des Dieselmotors eine Reduzierung der Füllung bewirken. Und auch im Teillastbetrieb des Dieselmotors, bei dem die Steuerklappen geschlossen sind, behindern die im Ansaugtakt geöffneten und somit in die Arbeitsräume der Zylinder hineinragenden Einlassventile der Füllkanäle die durch die Drallkanäle erzeugte Drallströmung der Ansaugluft.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungskolbenmotor der eingangs genannten Bauart vorzuschlagen, bei dem die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Zudem soll ein Verfahren zur Steuerung des Ansaugluftvolumenstroms eines derartigen Verbrennungskolbenmotors angegeben werden.
Die den Verbrennungskolbenmotor betreffende Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest die Einlassventile der Füllkanäle über jeweils ein schaltbares Hubübertragungselement mit zugeordneten Nocken einer Nockenwelle in Stellverbindung sind, und dass die Hubübertragung von den zugeordneten Nocken der Nockenwelle auf die Einlassventile zum Öffnen der Füllkanäle durch eine Umschaltung der Hubübertragungselemente unterbrechbar oder auf die Hubübertragung von Nullhubnocken der Nockenwelle umschaltbar ist.
Die das Verfahren zur Steuerung des Ansaugluftvolumenstroms des Verbrennungskolbenmotors betreffende Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 2 dadurch gelöst, dass die Füllkanäle im Teillastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors durch die Abschaltung des Ventilhubs der zugeordneten Einlassventile geschlossen bleiben und im Volllastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors durch die Einschaltung des Ventilhubs der zugeordneten Einlassventile zumindest im Ansaugtakt geöffnet werden, wobei die Abschaltung und die Einschaltung des Ventilhubs der Einlassventile durch eine Umschaltung von schaltbaren Hubübertragungselementen erfolgt, welche zwischen den Einlassventilen und zugeordneten Nocken einer Nockenwelle angeordnet sind.
Dadurch, dass das Verschließen der Füllkanäle im Teillastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors erfindungsgemäß durch die Abschaltung des Ventilhubs der zugeordneten Einlassventile mittels der schaltbaren Hubübertragungselemente erfolgt, kann die Herstellkosten senkend auf die Anordnung von Steuerklappen in den Füllkanälen verzichtet werden. Somit entfällt auch der Strömungswiderstand der Steuerklappen im geöffneten Zustand. Ebenso entfällt der Strömungswiderstand der in die Arbeitsräume der Zylinder hineinragenden Einlassventile der Füllkanäle, da diese nun im Teillastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors geschlossen gehalten werden.
Ein zur Unterbrechung der Hubübertragung nutzbares, hydraulisch abschaltbares Abstützelement ist beispielsweise aus der DE 100 48 620 A1 bekannt. In der DE 101 19 366 A1 ist ein entsprechender, hydraulisch abschaltbarer Rollenstößel beschrieben. Ein zur Umschaltung der Hubübertragung auf einen Nullhubnocken geeigneter, hydraulisch umschaltbarer Tassenstößel ist beispielsweise aus der DE 101 23 963 A1 bekannt. In der DE 101 37 490 A1 ist ein entsprechender hydraulisch umschaltbarer Schlepphebel beschrieben.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt, die ein Ausführungsbeispiel darstellt. In dieser zeigt

1 einen Zylinder eines erfindungsgemäßen Verbrennungskolbenmotors im Teillastbetrieb während eines Ansaugtaktes in einer schematischen Teilansicht,
1a einen Einlasskanal des Zylinders gemäß 1 in einer schematischen Querschnittsansicht,
2 den Zylinder des Verbrennungskolbenmotors gemäß 1 im Volllastbetrieb während eines Ansaugtaktes in einer schematischen Teilansicht,
2a den Einlasskanal des Zylinders gemäß 2 in einer schematischen Querschnittsansicht,
3 einen Zylinder eines bekannten Verbrennungskolbenmotors im Teillastbetrieb während eines Ansaugtaktes in einer schematischen Teilansicht,
3a einen Einlasskanal des Zylinders gemäß 3 in einer schematischen Querschnittsansicht,
4 den Zylinder des bekannten Verbrennungskolbenmotors gemäß 3 im Volllastbetrieb während eines Ansaugtaktes in einer schematischen Teilansicht, und
4a den Einlasskanal des Zylinders gemäß 4 in einer schematischen Querschnittsansicht.

In der schematischen Teilansicht von 3 ist ein Zylinderkopf 1' eines bekannten Verbrennungskolbenmotors mit der Ansicht eines Zylinders 2 in axialer Blickrichtung aus dem Arbeitsraum 3 heraus nach außen dargestellt. Der Verbrennungskolbenmotor weist pro Zylinder 2 zwei Einlasskanäle 4, 5 und zwei Auslasskanäle 6, 7 auf, die jeweils über ein Einlassventil EV1, EV2 beziehungsweise ein Auslassventil AV1, AV2 mit dem Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 strömungstechnisch verbindbar sind. Der erste Einlasskanal 4 ist als ein Drallkanal wirksam und zur Erzeugung einer Drallströmung tangential an den Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 angeschlossen. Der zweite Einlasskanal 5 ist als ein Füllkanal wirksam und mittels einer schwenkbaren Steuerklappe 8 verschließbar. In 3a ist der zweite Einlasskanal 5 zusammen mit dem Einlassventil EV2 und der Steuerklappe 8 in einer schematischen Querschnittsansicht abgebildet.
In den Abbildungen gemäß 3 und 3a befindet sich der Verbrennungskolbenmotor, bei dem es sich bevorzugt um einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung handelt, im Teillastbetrieb. In 3a befindet sich der betreffende Zylinder 2 zudem im Ansaugtakt, in dem auch das Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 geöffnet ist. Um beim Ansaugen von Frischluft eine Beschleunigung des Ansaugluftvolumenstroms 9 und eine starke Drallströmung im Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 zu erzeugen, wodurch eine weitgehend homogene Verteilung des später eingespritzten Kraftstoffs erreicht wird, ist die Steuerklappe 8 geschlossen. Das Ansaugen von Frischluft in den Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 erfolgt somit nur über den ersten Einlasskanal 4. Wie 3a zu entnehmen ist, behindert das im Ansaugtakt geöffnete, in den Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 hineinragende Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 die dortige Drallströmung.
In den Abbildungen gemäß 4 und 4a befindet sich der Verbrennungskolbenmotor im Volllastbetrieb. In der Abbildung von 4a befindet sich der betreffende Zylinder 2 zudem im Ansaugtakt, so dass das Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 geöffnet ist. Um beim Ansaugen von Frischluft eine hohe Füllung im Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 und damit eine hohe Leistungsausbeute zu erreichen, ist die Steuerklappe 8 nun geöffnet, so dass sich im Ansaugtakt zusätzlich zu dem Ansaugluftvolumenstrom 9 in dem ersten Einlasskanal 4 auch in dem zweiten Einlasskanal 5 ein Ansaugluftvolumenstrom 10 einstellt. Wie die 4 und 4a zeigen, wirkt die in dem zweiten Einlasskanal 5 angeordnete Steuerklappe 8 trotz ihres geöffneten Zustands als Strömungswiderstand auf den dortigen Ansaugluftvolumenstrom 10 und beeinträchtigt somit die Füllung des Zylinders 2 sowie damit die Leistungsausbeute des Verbrennungskolbenmotors.
In der schematischen Teilansicht von 1 ist ein weitgehend ähnlicher Zylinderkopf 1 eines erfindungsgemäßen Verbrennungskolbenmotors mit der Ansicht eines Zylinders 2 in axialer Blickrichtung aus dem Arbeitsraum 3 heraus nach außen dargestellt. In 1a ist der als Füllkanal wirksame zweite Einlasskanal 5 zusammen mit dem Einlassventil EV2 in einer schematischen Querschnittsansicht abgebildet.
In den Abbildungen der 1 und 1a befindet sich der Verbrennungskolbenmotor im Teillastbetrieb. In der Abbildung von 1a befindet sich der betreffende Zylinder 2 zudem im Ansaugtakt. Um beim Ansaugen von Frischluft eine Beschleunigung des Ansaugluftvolumenstroms 9 und eine starke Drallströmung im Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 zu erzeugen, bleibt das Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 nun durch eine Nichtbetätigung beziehungsweise durch die Abschaltung seines Ventilhubs geschlossen. Die Abschaltung des Ventilhubs des Einlassventils EV2 erfolgt durch die Umschaltung eines nicht näher abgebildeten schaltbaren Hubübertragungselementes, das zwischen dem zugeordneten Nocken einer Nockenwelle und dem Einlassventil EV2 angeordnet ist. Das Ansaugen von Frischluft in den Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 erfolgt somit nur über den ersten Einlasskanal 4. Wie der 1a zu entnehmen ist, behindert das auch im Ansaugtakt geschlossene Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 die Drallströmung in dem Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 nun nicht mehr.
In den Abbildungen von 2 und 2a befindet sich der Verbrennungskolbenmotor im Volllastbetrieb. In der 2a befindet sich der betreffende Zylinder 2 zudem im Ansaugtakt, so dass das Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 geöffnet ist. Um beim Ansaugen von Frischluft eine hohe Füllung im Arbeitsraum 3 des Zylinders 2 und damit eine hohe Leistungsausbeute zu erreichen, wird das Einlassventil EV2 des zweiten Einlasskanals 5 wieder normal betätigt, also geöffnet und geschlossen, so dass sich im Ansaugtakt zusätzlich zu dem Ansaugluftvolumenstrom 9 in dem ersten Einlasskanal 4 auch in dem zweiten Einlasskanal 5 ein Ansaugluftvolumenstrom 10 einstellt. Wie die 2 und 2a zeigen, ist in dem zweiten Einlasskanal 5 aufgrund der nun fehlenden Steuerklappe 8 kein besonderer Strömungswiderstand mehr auf den dortigen Ansaugluftvolumenstrom 10 wirksam.
Bezugszeichenliste

1,1': Zylinderkopf
2: Zylinder
3: Arbeitsraum
4: Erster Einlasskanal, Drallkanal
5: Zweiter Einlasskanal, Füllkanal
6: Erster Auslasskanal
7: Zweiter Auslasskanal
8: Steuerklappe
9: Ansaugluftvolumenstrom im Einlasskanal 4
10: Ansaugluftvolumenstrom im Einlasskanal 5
AV1: Erstes Auslassventil
AV2: Zweites Auslassventil
EV1: Erstes Einlassventil
EV2: Zweites Einlassventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0214251 B1 [0003]
DE 4310839 A1 [0003]
DE 19942169 C2 [0003]
DE 102004021363 B4 [0003]
DE 10048620 A1 [0009]
DE 10119366 A1 [0009]
DE 10123963 A1 [0009]
DE 10137490 A1 [0009]

Claims

Verbrennungskolbenmotor, insbesondere Dieselmotor mit Direkteinspritzung, der zwei separate Einlasskanäle (4, 5) pro Zylinder (2) aufweist, nämlich jeweils einen als Drallkanal wirksamen ersten Einlasskanal (4) und jeweils einen als Füllkanal wirksamen zweiten Einlasskanal (5), welche zur Weiterleitung eines Ansaugluftvolumenstroms über jeweils ein Einlassventil (EV1, EV2) mit den Arbeitsräumen (3) der zugeordneten Zylinder (2) strömungstechnisch verbindbar sind, und bei dem die Füllkanäle (5) zumindest teilweise verschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Einlassventile (EV2) der Füllkanäle (5) über jeweils ein schaltbares Hubübertragungselement mit zugeordneten Nocken einer Nockenwelle in Stellverbindung sind, und dass die Hubübertragung von den zugeordneten Nocken der Nockenwelle auf die Einlassventile (EV2) zum Öffnen der Füllkanäle (5) durch eine Umschaltung der Hubübertragungselemente unterbrechbar oder auf die Hubübertragung von Nullhubnocken der Nockenwelle umschaltbar ist.
Verfahren zur Steuerung des Ansaugluftvolumenstroms eines Verbrennungskolbenmotors, insbesondere eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung, der zwei separate Einlasskanäle (4, 5) pro Zylinder (2) aufweist, nämlich jeweils einen als Drallkanal wirksamen ersten Einlasskanal (4) und jeweils einen als Füllkanal wirksamen zweiten Einlasskanal (5), die über jeweils ein Einlassventil (EV1, EV2) mit dem Arbeitsraum (3) des zugeordneten Zylinders (2) verbindbar sind, und von denen die Füllkanäle (5) zumindest teilweise verschließbar sind, wobei die Füllkanäle (5) im Teillastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors geschlossen und im Volllastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkanäle (5) im Teillastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors durch die Abschaltung des Ventilhubs der zugeordneten Einlassventile (EV2) geschlossen bleiben und im Volllastbetrieb des Verbrennungskolbenmotors durch die Einschaltung des Ventilhubs der zugeordneten Einlassventile (EV2) zumindest im Ansaugtakt geöffnet werden, wobei die Abschaltung und die Einschaltung des Ventilhubs der Einlassventile (EV2) durch eine Umschaltung von schaltbaren Hubübertragungselementen erfolgt, welche zwischen den Einlassventilen (EV2) und zugeordneten Nocken einer Nockenwelle angeordnet sind.