DE102019004810A1 - Variable valve control for gasoline engines and diesel engines - Google Patents
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Abstract
Variable Ventilsteuerung für Otto- und Dieselmotoren dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nockenwelle 1 durch eine Verzahnung 6 gegenüber einem Nockenwellenzahnrad 4 axial verschiebbar ist 5 und ihre Nocken 9 in axialer Richtung rampenartige Nockenkonturen 8 senkrecht zur Nockenwellenachse aufweisen, die im Motorbetrieb durch axiale Verschiebung 5 sowohl variierende Ventilhübe 12 der Ventile 11, die von 0 mm bis zur maximalen Nockenhöhe 8 variieren können, oder/als auch durch unterschiedliche Umfangswinkel ihres Nockenprofils 14,15 unterschiedliche Ventilöffnungszeiträume erzeugen können.Variable valve control for gasoline and diesel engines, characterized in that at least one camshaft 1 is axially displaceable by a toothing 6 relative to a camshaft gear 4 5 and its cams 9 have ramp-like cam contours 8 in the axial direction perpendicular to the camshaft axis, which in engine operation by axial displacement 5 both varying valve lifts 12 of the valves 11, which can vary from 0 mm to the maximum cam height 8, and / or can also generate different valve opening periods through different circumferential angles of their cam profile 14, 15.
Description
Die Erfindung beschreibt eine variable Ventilsteuerung für Ottomotoren und Dieselmotoren.The invention describes a variable valve control for gasoline engines and diesel engines.
Ein Konstruktionsziel bei Ottomotoren mit Drosselklappe ist die Vermeidung von Verlusten an der Drosseklappe bei der Zuführung von Verbrennungsluft. Eingebaut im Ansaugtrakt, bestimmt ihr Öffnungswinkel das Volumen, respektive die Masse an Verbrennungsluft das in den Zylinder gelangt. Unbefriedigend an dieser Lösung sind die an ihr entstehenden Verluste.One of the design objectives for gasoline engines with a throttle valve is to avoid losses at the throttle valve when supplying combustion air. Built into the intake tract, its opening angle determines the volume or the mass of combustion air that gets into the cylinder. What is unsatisfactory about this solution are the losses it incurs.
Bei Motoren mit Drosselklappe muss beim Öffnen der Einlassventile das Volumen der Saugrohre zwischen Ventil und Drosselklappe überwunden werden bevor sich die Verbrennungsluftmasse in Richtung der Zylinder in Bewegung setzt. Das Saugrohrvolumen bildet somit einen Dämpfer, der das Ansprechverhalten des Motors verzögert. Werden die Widerstände von Drosselklappe und Dämpfungsvolumen ausgeschaltet und das Einlassventil zur Laststeuerung bewegt, sinkt der Kraftstoffverbrauch, steigt die Leistung und der Motor spricht drastisch besser auf die Anforderungen des Fahrpedals an.In engines with a throttle valve, the volume of the intake manifold between the valve and the throttle valve must be overcome when the intake valves are opened before the combustion air mass starts moving in the direction of the cylinders. The intake manifold volume thus forms a damper that delays the response of the engine. If the resistances of the throttle valve and damping volume are switched off and the inlet valve is moved to control the load, fuel consumption decreases, performance increases and the engine responds drastically better to the demands of the accelerator pedal.
Konstruktive Schritte zum Endziel der vollständigen Entdrosselung hin sind Phasenverstellung, Abgasrückführung, Schichtladebetrieb bei Direkteinspritzung, hubraumkleine aufgeladene Motoren, Abstimmung von Saugrohr und Abgasanlage, variable Verdichtung, Zylinderabschaltung.Structural steps towards the ultimate goal of complete dethrottling are phase adjustment, exhaust gas recirculation, stratified charge operation with direct injection, supercharged engines with small displacement, coordination of intake manifold and exhaust system, variable compression, cylinder deactivation.
Die maximale Entdrosselung wird jedoch erst beim vollvariablen Ventilhub, wie sie die Valvetronic von BMW und das Multi-Air-System von FIAT aufweisen, erreicht.The maximum dethrottling is only achieved with the fully variable valve lift, as shown by the Valvetronic from BMW and the Multi-Air system from FIAT.
Bei der Valvetronic wird die Verbrennungsluftzufuhr über den variablen Ventilhub ohne Drosselklappe gesteuert. Der vollvariable Ventilhub wird durch einen elektromotorisch verstellbaren Zwischenhebel bewirkt, der zwischen der Nockenwelle und dem Schlepphebel, der das Ventil betätigt, platziert ist. Im Ergebnis ist der Ventilhub variabel. Die Drosselklappe dient nur der Korrektur, nicht der Laststeuerung. Die geschieht ausschließlich über den variablen Hub der Einlassventile.With the Valvetronic, the combustion air supply is controlled via the variable valve lift without a throttle valve. The fully variable valve lift is brought about by an intermediate lever that can be adjusted by an electric motor and is placed between the camshaft and the rocker arm that actuates the valve. As a result, the valve lift is variable. The throttle valve is only used for correction, not for load control. This happens exclusively via the variable lift of the inlet valves.
Der Nachteil der Valvetronic ist ihr hoher Bauaufwand. Um die Bewegung der Nockenwelle auf das Einlassventil zu übertragen bedarf es des Zwischenhebels mit zwei zusätzlichen Reibrollen. Das erzeugt erhöhten Reibaufwand und mindert die Reaktionsschnelligkeit des Systems.The disadvantage of the Valvetronic is its high construction cost. The intermediate lever with two additional friction rollers is required to transfer the movement of the camshaft to the inlet valve. This creates increased friction and reduces the system's speed of reaction.
Ein weiterer Nachteil der Valvetronic ist die relative Trägheit der Ventilverstellung. Die Verstellzeit von 300 Millisekunden vom Minimal- zum Maximalhub der Einlassventile ist zu träge um zwischen aufeinanderfolgenden Einlasstakten zweier Zylinder oder gar innerhalb des Einlasstaktes eines Zylinders den Ventilhub oder die Ventilöffnungszeit zu beeinflussen.Another disadvantage of the Valvetronic is the relative inertia of the valve adjustment. The adjustment time of 300 milliseconds from the minimum to the maximum lift of the intake valves is too slow to influence the valve lift or the valve opening time between successive intake strokes of two cylinders or even within the intake stroke of a cylinder.
Beim Multi-Air-System wird der variable Hub der Einlassventile durch eine elektrohydraulische Übertragungseinheit bewirkt, die den Hub des Nockens einer Nockenwelle auf die Einlassventilschäfte überträgt. Der Multi-Air-Zylinderkopf besitzt eine obenliegende Nockenwelle, die die Auslassventile mechanisch mit den Auslassnocken über Tassenstößel betätigt. Auf dieser Nockenwelle gibt es aber pro Zylinder auch noch je einen Einlassnocken, der aber nicht unmittelbar auf die Einlassventile wirkt, sondern auf eine elektrohydraulische Übertragungseinheit, die aus einem Rollenschlepphebel und einer Hydraulik mit Geberkolben, Druckkammer, Magnetventil und Nehmerkolben an den beiden Einlassventilen besteht. Der Hub des Nockens wird durch die Ölhydraulik auf die Einlassventilschäfte übertragen. Bleibt das in der Druckkammer angeordnete Magnetventil während eines Ventilhubes geschlossen, kann kein Öl abfließen und die Ventile folgen der durch die Nockenform vorgegebenen Erhebungskurve der Nockenwelle. Wird hingegen das Magnetventil vom Motorsteuergerät geöffnet, kann ein Teil des Öls aus der Druckkammer in einen Niederdruckkreislauf entweichen; die jeweiligen Einlassventile öffnen kürzer und weniger weit als vom Nocken vorgegeben oder auch gar nicht. Das hat zur Folge, dass sowohl der Ventilhub als auch die Zeiten von Ventilöffnung und Ventilschließen, also die Einlass-Steuerzeit, durch die elektrische Ansteuerung des Magnetventils - in den durch die mechanische Form des Nockens vorgegebenen Grenzen - variabel gesteuert werden können. Allerdings kann die Elektro-Hydraulik, wenn sie aktiviert wird, den Ventilhub und die Ventilöffnungszeit immer nur verringern.In the multi-air system, the variable lift of the intake valves is effected by an electro-hydraulic transmission unit that transmits the lift of the cam of a camshaft to the intake valve stems. The Multi-Air cylinder head has an overhead camshaft that mechanically actuates the exhaust valves with the exhaust cams via bucket tappets. On this camshaft there is also one inlet cam per cylinder, which does not act directly on the inlet valves, but on an electro-hydraulic transmission unit, which consists of a roller rocker arm and a hydraulic system with a master piston, pressure chamber, solenoid valve and slave piston on the two inlet valves. The lift of the cam is transmitted to the intake valve stems by the oil hydraulics. If the solenoid valve arranged in the pressure chamber remains closed during a valve stroke, no oil can flow out and the valves follow the camshaft elevation curve predetermined by the cam shape. If, on the other hand, the solenoid valve is opened by the engine control unit, part of the oil can escape from the pressure chamber into a low-pressure circuit; the respective inlet valves open shorter and less than specified by the cam or not at all. As a result, both the valve lift and the times of valve opening and valve closing, i.e. the inlet control time, can be variably controlled by the electrical control of the solenoid valve - within the limits specified by the mechanical shape of the cam. However, when the electro-hydraulic system is activated, it can only ever reduce the valve lift and the valve opening time.
Geschlossen werden die Ventile, wie gewöhnlich, von Federn. Während der übrigen Takte des Viertaktmotors füllt das Niederdrucksystem der Ölhydraulik die Druckkammer auf und wirkt wie ein hydraulischer Ventilspielausgleich.As usual, the valves are closed by springs. During the remaining strokes of the four-stroke engine, the low-pressure system of the oil hydraulics fills the pressure chamber and acts like a hydraulic valve clearance compensation.
Ein bedeutsamer Nachteil dieser Lösung des voll variablen Ventiltriebs ist, dass eine regelbare Anpassung der Ventilüberschneidung von Auslassventil und Einlasstventil an den jeweils aktuellen Betriebspunkt nicht möglich ist.A significant disadvantage of this fully variable valve train solution is that it is not possible to adjust the valve overlap of the exhaust valve and intake valve to the current operating point.
Zusätzlicher Nachteil ist auch bei der Multi-Air der hohe Bauaufwand.Another disadvantage of the Multi-Air is the high construction costs.
Die Erfindung hebt die beschriebenen Nachteile der beiden Ventilsteuersysteme auf. Dadurch realisiert sie ohne Einschränkung die Vorteile eines voll variablen Einlassventilhubs gegenüber fest vorgegebenen Steuerzeiten, wie
- • ein breiteres, nutzbares Drehzahlband,
- • die Entdrosselung des Motors
- • exzellentes Kaltstartverhalten
- • geringerer Verbrauch
- • verminderte Abgasemission
- • besseres Ansprechverhalten
- • Anhebung des Drehmomentes im unteren Drehzahlbereich durch eine erheblich bessere Verwirbelung der Verbrennungsluft bei Leerlauf und in der unteren Teillast, weil sie in dem engen Ventilspalt enorm beschleunigt wird
- • a wider, usable speed range,
- • the de-throttling of the motor
- • excellent cold start behavior
- • lower consumption
- • reduced exhaust emissions
- • better responsiveness
- • Increase of the torque in the lower speed range through a significantly better turbulence of the combustion air at idle and in the lower part load, because it is accelerated enormously in the narrow valve gap
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der voll variable Ventilhub von 0 mm bis zum maximalen Hub außerdem, ohne eine zusätzliche Mechanik, eine Zylinderabschaltung erlaubt, indem er zwischen den Einlasstakten zweier Zylinder einen Ventilhub auf 0 mm zurückfährt und, darauf abgestimmt, den Ventilhub des anderen Zylinders für eine entsprechend höhere Füllung mit Verbrennungsluft desselben erhöht. Weiter lassen sich durch Nockenwellen mit unterschiedlichen Nockenkonturen der Nocken in der Rotationsebene variable Ventilöffnungszeiten erzeugen. Damit wird es erfindungsgemäß möglich, auch bei Verdichtungsverhältnissen die, nur durch eine, durch vorzeitiges Schließen des Einlassventils vor dem Ende des Einlasshubs, erzwungene Temperaturerniedrigung (Millerzyklus) in der Lage sind bei Volllast klopfende Verbrennung zu vermeiden, bei Lastanforderungen unterhalb der Volllast, die Einlassphase auf den vollständigen Einlasshub auszuweiten, vorzugsweise durch Klopfsensoren an die aktuelle Lastanforderung angepasst. Oder umgekehrt bei Erhöhung der Lastanforderung die Öffnungsphase der Einlassventile vom vollständigen Einlasshub auf den Millerzyklus mit vorzeitigem Einlassventilschließen entlang einer Kennlinie oder einem Kennfeld zurückzufahren.Another advantage of the invention is that the fully variable valve lift from 0 mm to the maximum lift also allows cylinder deactivation without additional mechanics by reducing a valve lift to 0 mm between the intake strokes of two cylinders and, depending on this, the valve lift of the other cylinder for a correspondingly higher filling with combustion air of the same increased. Furthermore, variable valve opening times can be generated by camshafts with different cam contours of the cams in the plane of rotation. This makes it possible according to the invention to avoid knocking combustion at full load, even with compression ratios that are only able to avoid knocking combustion at full load through a premature closing of the intake valve before the end of the intake stroke, and the intake phase for load requirements below full load to expand to the full intake stroke, preferably adapted to the current load requirement by knock sensors. Or, conversely, when the load requirement increases, the opening phase of the intake valves can be reduced from the full intake stroke to the Miller cycle with the intake valve closing prematurely along a characteristic curve or a map.
Es wird zudem möglich unterschiedliche effektive Kompressionsverhältnisse sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren zu realisieren. Ergebnis ist eine Erhöhung der Expansionsarbeit des Kolbens und eine Entdrosselung im Teillastbereich, mit dem Vorteil der Verbrauchsverringerung und frühem Drehmoment in voller Stärke.It is also possible to achieve different effective compression ratios for both gasoline engines and diesel engines. The result is an increase in the expansion work of the piston and a dethrottling in the partial load range, with the advantage of reduced consumption and early torque in full strength.
Weiter erlaubt die Erfindung durch das erfindungsgemäße axiale Verschieben der Einlassnockenwelle die für unterschiedliche Ottokraftstoffe geeignete Nockenwellenkontur anzusteuern. Beim Betrieb des Ottomotors mit Benzin mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis dessen Verdichtungsendtemperatur, bei Öffnung der Einlassventile über den gesamten Ansaugtakt, die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs Benzin überschreiten würde, werden die Einlassnockenwellenkonturen so ausgeformt, dass die Einlassventile für die Verbrennungsluft schon schließen, lange bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Die dadurch erzwungene Expansion des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der restlichen Abwärtsphase des Kolbens kühlt das Kraftstoff-Luft-Gemisch, was den Druck und die Temperatur am Ende des darauf folgenden Verdichtungstakts mindert, sodass beim Betrieb des Motors mit dem Kraftstoff Benzin dessen Selbstentzündungstemperatur nicht überschritten wird (Millerzyklus).Furthermore, the invention enables the camshaft contour suitable for different gasoline fuels to be controlled by the axial displacement of the inlet camshaft according to the invention. When operating the gasoline engine with gasoline with a geometric compression ratio, the compression end temperature of which would exceed the self-ignition temperature of the gasoline fuel if the intake valves were to open over the entire intake stroke, the intake camshaft contours are shaped in such a way that the intake valves for the combustion air close long before the piston hits bottom dead center reached. The resulting expansion of the fuel-air mixture in the remaining downward phase of the piston cools the fuel-air mixture, which reduces the pressure and temperature at the end of the following compression stroke, so that when the engine is operated with gasoline, its auto-ignition temperature does not occur is exceeded (Miller cycle).
Die Selbstentzündungstemperaturen alternativer Ottokraftstoffe wie LPG, CNG oder Alkohol liegen um einiges höher als die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs Benzin.The auto-ignition temperatures of alternative petrol such as LPG, CNG or alcohol are considerably higher than the auto-ignition temperature of gasoline.
Aus diesem Grunde benötigt ein mit diesen Kraftstoffen betriebener Ottomotor die Temperaturminderung durch die erzwungene Gemischexpansion wie beim Betrieb mit dem Kraftstoff Benzin nicht und kann deshalb durch das Abfahren einer geeigneten Nockenwellenkontur die vollständige Füllung des Brennraums mit Kraftstoff-Luft-Gemisch über den gesamten Ansaugtakt nutzen, mit den damit verbundenen Vorteilen bei Drehmoment und Leistung und geringerem Schadstoffausstoß.For this reason, a gasoline engine operated with these fuels does not require the temperature reduction due to the forced mixture expansion, as is the case with operation with gasoline, and can therefore use the complete filling of the combustion chamber with the fuel-air mixture over the entire intake stroke by following a suitable camshaft contour, with the associated advantages in terms of torque and power and lower pollutant emissions.
Beim Dieselmotor blieb die variable Ventilsteuerung lange unbeachtet, denn sie laufen ja mit maximalem Luftüberschuss und benötigten daher keine Drosselung. Erstmals in Serie kamen variable Steuerzeiten beim Diesel-Pkw daher erst 2010. In diesen Motoren ist die Rohabgasgüte der wichtigste Treiber für solche, in der Produktion bisher teure, Lösungen. Vorteil der variablen Ventilsteuerung ist hier die Möglichkeit, den Motor und die Katalysatoren schneller auf Betriebstemperatur zu bringen, sie weniger schnell auskühlen zu lassen und durch heraufsetzen der Abgastemperatur die Regeneration des Partikelfilters zu begünstigen. So bedeutet ein frühes Öffnen des Auslassventils eine zusätzliche Heizmaßnahme für die Abgasnachbehandlung zur Absenkung der NOx-Emission im kalten Motor. Variable Ventilsteuerzeiten ermöglichen auch eine Warmhaltefunktion in Leerlaufphasen, um unerwünschtes Auskühlen der Abgasreinigung zu verringern. Hinzu kommt die Möglichkeit im quasistationären Teillastbetrieb den, gegenüber dem Verdichtungshub, längeren Expansionshub des Miller-Zyklus zu nutzen und damit durch die verbesserte Effizienz den Kraftstoffverbrauch zu senken.The variable valve control was ignored for a long time in the diesel engine, because they run with maximum excess air and therefore do not require any throttling. Variable valve timing in diesel cars did not come into series production for the first time until 2010. In these engines, the raw exhaust gas quality is the most important driver for such solutions, which were previously expensive in production. The advantage of the variable valve control is the possibility to bring the engine and the catalytic converters to operating temperature more quickly, to let them cool down less quickly and to promote the regeneration of the particulate filter by increasing the exhaust gas temperature. An early opening of the exhaust valve means an additional heating measure for the exhaust gas aftertreatment to reduce the NOx emissions in the cold engine. Variable valve timing also enables a warming function in idle phases in order to reduce undesired cooling of the exhaust gas cleaning system. In addition, there is the option in quasi-stationary part-load operation to use the longer expansion stroke of the Miller cycle compared to the compression stroke, and thus to reduce fuel consumption through improved efficiency.
Es werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung exemplarisch und vereinfacht dargestellt und erläutert.
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1a zeigt eine erfindungsgemäß axial verschiebbare 5 Nockenwelle1 ,mit einem Nocken 9 mit erfindungsgemäßer rampenförmigen Nockenkontur inaxialer Richtung 8 , der überden erfindungsgemäßen Kugelschlepphebel 10 ,13 ein Ventil 11 betätigt und einen Aktuator zur axialen Verschiebung5 dieser Nockenwelle1 , hierein Linearmotor 7 . -
1b unterscheidet sich von1a durch dieGabelung 16 desKugelschlepphebels 10 ,13 in Richtung der paarigen Ventilschäfte11 bei Vierventilmotoren. -
1c zeigt eineVariante mit Stütze 17 zur Aufnahme der aufden Kugelschlepphebel 10 ,13 einwirkenden axialen Kraft. -
2 zeigt ebenfalls eine erfindungsgemäß axial verschiebbare Nockenwelle5 mit unterschiedlichen rotatorischen Konturen14 ,15 eines Nockens 9 die durch einen Aktuator zur axialen Verschiebung7 über eine axialeRampe 8 angesteuert werden können. -
3 zeigt eine erfindungsgemäß axial verschiebbare Nockenwelle5 mit einem Nocken 9 mit erfindungsgemäßer Kombination unterschiedlicher rotatorischen Nockenkonturen14 ,15 , die durch ihre axiale Rampen8 differentiell unterschiedliche Ventilhübe12 bewirken.
-
1a shows an axially displaceable camshaft according to the invention1 , with acam 9 with the inventive ramp-shaped cam contour in the axial direction8th , the about the inventiveball rocker arm 10 ,13 avalve 11 operated and an actuator foraxial displacement 5 this camshaft1 , here a linear motor7th . -
1b differs from1a through thefork 16 of therocker arm 10 ,13 towards the paired valve stems11 with four-valve engines. -
1c shows a variant with a support17th for receiving the on therocker arm 10 ,13 acting axial force. -
2 also shows an axially displaceable camshaft according to theinvention 5 with different rotatory contours14th ,15th of acam 9 by an actuator for axial displacement7th via an axial ramp8th can be controlled. -
3 shows an axially displaceable camshaft according to theinvention 5 with acam 9 with the inventive combination of different rotary cam contours14th ,15th by their axial ramps8th differentially different valve lifts12 effect.
In
Die Nockenwelle
Die Verschiebung
In
Claims (8)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F01L0013000000 Ipc: F01L0001047000 |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |