DE10221015A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem auf zumindest mehrere Stufen, insbesondere stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb mit einem ersten Einstellgrad. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß neben dem Einlaßventiltrieb mit dem ersten Einstellgrad zumindest ein Einlaßventiltrieb mit zumindest einem vom ersten Einstellgrad abweichenden zweiten Einstellgrad vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
• Es sind Brennkraftmaschinen mit drosselfreier Lastregelung bekannt. Sämtliche Einlaßventiltriebe sind hierfür mit jeweils einem elektromagnetischen Aktuator ausgeführt und sind stufenlos verstellbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren bereitzustellen, bei denen trotz einer zumindest weitgehend drosselfreien Lastregelung, insbesondere der konstruktive Aufwand sowie der erforderliche Bauraum reduziert werden können. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem auf zumindest mehrere Stufen, insbesondere stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb mit einem ersten Einstellgrad.
• Es wird vorgeschlagen, daß neben dem Einlaßventiltrieb mit dem ersten Einstellgrad zumindest ein Einlaßventiltrieb mit zumindest einem vom ersten Einstellgrad abweichenden zweiten Einstellgrad vorgesehen ist. Es kann eine zumindest weitgehend drosselfreie Lastregelung erreicht und der konstruktive Aufwand, der Bauraum, das Gewicht, der Energieaufwand und die Kosten können erheblich reduziert werden. In Prozent ausgedrückt kann der Einstellgrad zwischen Null Prozent, d. h. nicht einstellbar, und hundert Prozent, d. h. stufenlos einstellbar, variieren, beispielsweise kann bei einem verwendeten Einlaßventiltrieb eine Öffnungszeit bzw. Schließzeit stufenlos einstellbar ausgeführt sein, bei einem weiteren Einlaßventiltrieb eine Öffnungszeit bzw. Schließzeit auf einzelne festgelegte Zeitstufen einstellbar ausgeführt sein und/oder bei einem weiteren Einlaßventiltrieb eine Öffnungszeit bzw. Schließzeit nicht einstellbar ausgeführt sein.
• Sind der Einlaßventiltrieb mit dem ersten Einstellgrad und der Einlaßventiltrieb mit dem zweiten Einstellgrad einem gemeinsamen Zylinder zugeordnet, kann eine hohe Flexibilität und eine vorteilhaft gleichmäßige Auslastung der Brennkraftmaschine erreicht werden. Sind zumindest einem Zylinder ausschließlich ein oder mehrere Einlaßventiltriebe mit dem zweiten Einstellgrad zugeordnet, kann gezielt in einzelnen Bereichen Bauraum und Gewicht eingespart werden.
• Ist der Einlaßventiltrieb mit dem zweiten Einstellgrad abschaltbar, kann zum einen durch die Abschaltung Energie eingespart und zum anderen kann insbesondere in niedrigen Teillastbereichen eine vorteilhafte drosselfreie Lastregelung erreicht werden.
• Die Einlaßventiltriebe können durch verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Mechanismen gebildet sein, beispielsweise können die Einlaßventiltriebe steuerbare Nockenwellen aufweisen. Besonders vorteilhaft besitzt jedoch wenigstens ein Einlaßventiltrieb, und zwar insbesondere der Einlaßventiltrieb mit dem höheren Einstellgrad, einen elektromagnetischen Aktuator. Mit elektromagnetischen Aktuatoren kann konstruktiv einfach ein hoher Einstellgrad erreicht werden.
• Ist wenigstens ein Einlaßventiltrieb, insbesondere ein Einlaßventiltrieb mit einem niedrigen Einstellgrad, zumindest teilweise einstückig mit einem Auslaßventiltrieb ausgeführt, beispielsweise indem ein oder mehrere Einlaßventile über eine Nockenwelle betätigt werden, die gleichzeitig Auslaßventile betätigen, können zusätzliche Bauteile, Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden.
• In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zumindest einem Zylinder eine Drosselklappe zugeordnet ist und/oder daß an zumindest einem Zylinder der Zündzeitpunkt veränderbar ist, und zwar insbesondere bei Zylindern mit Einlaßventiltrieben, die einen niedrigen Einstellgrad aufweisen. Bestimmte Übergangsbereiche, wie beispielsweise die Zu- und Abschaltung einzelner Einlaßventiltriebe und/oder Zylindergruppen, können vorteilhaft gesteuert und unerwünschte Störungen können vermieden werden. Ferner können schnelle Laständerungen konstruktiv einfach realisiert werden, und zwar insbesondere, indem bei zumindest einzelnen Zylindern der Zündzeitpunkt veränderbar ist.
• Es sind verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Kombinationen der Einlaßventiltriebe mit unterschiedlichen Einstellgraden denkbar. Eine vom konstruktiven Aufwand und vom Bauraum besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich jedoch, wenn die Brennkraftmaschine eine primäre Zylindergruppe aufweist, deren Zylinder jeweils zumindest einen stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb mit dem ersten Einstellgrad und zumindest einen abschaltbaren Einlaßventiltrieb mit dem gegenüber dem ersten Einstellgrad reduzierten, zweiten Einstellgrad besitzen, und die Brennkraftmaschine eine sekundäre, abschaltbare Zylindergruppe aufweist.
• Mit einer entsprechenden Brennkraftmaschine können vorteilhaft in einem ersten Lastbereich ausschließlich die Einlaßventiltriebe mit dem ersten Einstellgrad der primären Zylindergruppe aktiviert werden, und in einem zweiten, höheren Lastbereich können die Einlaßventiltriebe mit dem zweiten Einstellgrad der primären Zylindergruppe aktiviert werden. In einem dritten, nochmals höheren Lastbereich kann die sekundäre Zylindergruppe aktiviert werden, wobei innerhalb den Lastbereichen die Last zumindest weitgehend über die Einlaßventiltriebe mit dem ersten Einstellgrad der primären Zylindergruppe eingestellt werden kann.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine von oben und
• Fig. 2 einen stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb.
• Fig. 1 zeigt eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine mit zwölf Zylindern 13, 13a, 14, 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 16, 17, 20, 21, wobei jeder Zylinder zwei Einlaßventile E1, E2 und ein Auslaßventil A aufweist. Die Zylinder 13, 13a, 14, 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 16, 17, 20, 21 sind in eine primäre Zylindergruppe 22 und in eine sekundäre Zylindergruppe 23 aufgeteilt.
• Die Zylinder 13, 13a, 16, 17, 20, 21 der primären Zylindergruppe 22 besitzen jeweils einen stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb 10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e mit einem ersten Einstellgrad und einen abschaltbaren Einlaßventiltrieb 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f mit einem gegenüber dem ersten Einstellgrad reduzierten zweiten Einstellgrad. In Prozent ausgedrückt beträgt der erste Einstellgrad 100% und der zweite Einstellgrad 0%, d. h. beim ersten Einlaßventiltrieb 10 können die Öffnungszeiten bzw. Schließzeiten stufenlos verstellt werden, während bei dem zweiten Einlaßventiltrieb 11 die Öffnungszeiten und Schließzeiten nicht verstellt werden können. Die Zylinder 14, 14a, 14b, 14c, 14d, 14e der sekundären Zylindergruppe 23 besitzen jeweils ausschließlich Einlaßventiltriebe 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 12i, 12j, 12k, 12l mit dem zweiten Einstellgrad.
• Die Einlaßventiltriebe 10 besitzen elektromagnetische Aktuatoren 15 (Fig. 2). Der Aktuator 15 besitzt eine elektromagnetische Einheit mit zwei Elektromagneten 24, 25, einem Öffnungsmagneten 25 und einem Schließmagneten 24. Jeder der Elektromagnete 24, 25 besitzt eine auf einem nicht näher dargestellten Spulenträger aufgewickelte Magnetspule 26, 27 und einen Spulenkern 28, 29 mit zwei Jochschenkeln, die mit ihren Stirnseiten Polflächen 30, 31 bilden. Zwischen den Polflächen 30, 31 ist ein Schwenkanker 32 um eine Achse hin und her schwenkbar gelagert. Der Schwenkanker 32 wirkt über ein Spielausgleichselement 33 und über einen Ventilschaft 34 auf das Gaswechselventil E1. Der Ventilschaft 34 ist über eine Schaftführung 35 in einem Zylinderkopf 36 der Brennkraftmaschine axial verschiebbar gelagert.
• Ferner besitzt der Aktuator 15 einen Federmechanismus mit zwei vorgespannten Ventilfedern 37, 38, und zwar mit einer als Drehstabfeder ausgebildeten, in Öffnungsrichtung 39 wirkenden Ventilfeder 37 und mit einer als Schraubendruckfeder ausgebildeten, in Schließrichtung 40 wirkenden Ventilfeder 38.
• Die Einlaßventiltriebe 11, 12 sind teilweise einstückig mit einem Auslaßventiltrieb ausgeführt, und zwar werden die Einlaßventile E2 der primären Zylindergruppe 22 und die Einlaßventile E1 und E2 der sekundären Zylindergruppe 23 von Nockenwellen 41, 42 betätigt, über die zudem die Auslaßventile A betätigt werden.
• Beim Betrieb der Brennkraftmaschine sind vorteilhaft in einem ersten Lastbereich ausschließlich die Einlaßventiltriebe 10 mit dem ersten Einstellgrad der primären Zylindergruppe 22 aktiviert. Die Einlaßventiltriebe 11 der primären Zylindergruppe 22 und die der sekundären Zylindergruppe 23 sind abgeschaltet. Die Lastregelung erfolgt durch die stufenlose Verstellung der Einlaßventiltriebe 10 der primären Zylindergruppe 22, bis diese auf eine volle Zylinderfüllung eingestellt sind.
• Bei steigender Last werden die Einlaßventiltriebe 11 der primären Zylindergruppe 22 zugeschaltet und die Einlaßventiltriebe 10 werden auf eine kleine Zylinderfüllung eingestellt. Die sekundäre Zylindergruppe 23 bleibt abgeschaltet. Mit zunehmender Last wird die Zylinderfüllung durch die Einlaßventiltriebe 10 weiter bis zu ihrem Maximalwert gesteigert.
• Mit weiter steigender Last werden die Einlaßventiltriebe 12a, 12c, 12e, 12g, 12i, 12k für die Einlaßventile E1 der sekundären Zylindergruppe 23 zugeschaltet. Die Einlaßventiltriebe 10 der primären Zylindergruppe 22 werden wiederum auf eine kleine Zylinderfüllung eingestellt. Mit zunehmender Last wird die Zylinderfüllung bei der primären Zylinderguppe 22 durch die Einlaßventiltriebe 10 weiter bis zu ihrem Maximalwert gesteigert.
• Bei hohen Lastanforderungen werden die Einlaßventiltriebe 12b, 12d, 12f, 12h, 12j, 12l für die Einlaßventile E2 der sekundären Zylinderguppe 23 zugeschaltet. Die Laststeuerung erfolgt wieder durch die Einlaßventiltriebe 10 der primären Zylindergruppe 22.
• Um Übergangsbereiche, wie insbesondere die Zu- und Abschaltung einzelner Einlaßventiltriebe und/oder Zylindergruppen vorteilhaft steuern zu können und um unerwünschte Störungen zu vermeiden sowie um schnelle Laständerungen vorteilhaft realisieren zu können, sind den Zylindern 16, 17 der primären Zylindergruppe 22 jeweils eine Drosselklappe 18, 19 zugeordnet und an den Zylindern 20, 21 kann über eine Steuereinheit 43 deren Zündzeitpunkt verändert werden. Im Normalbetrieb arbeitet die Brennkraftmaschine jedoch ungedrosselt.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine mit wenigstens einem auf zumindest mehrere Stufen, insbesondere stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb mit einem ersten Einstellgrad, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Einlaßventiltrieb (10) mit dem ersten Einstellgrad zumindest ein Einlaßventiltrieb (11, 12) mit zumindest einem vom ersten Einstellgrad abweichenden zweiten Einstellgrad vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßventiltrieb (10) mit dem ersten Einstellgrad und der Einlaßventiltrieb (11) mit dem zweiten Einstellgrad einem gemeinsamen Zylinder (13) zugeordnet sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem Zylinder (14) ausschließlich ein oder mehrere Einlaßventiltriebe (12) mit dem zweiten Einstellgrad zugeordnet sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßventiltrieb (11, 12) mit dem zweiten Einstellgrad abschaltbar ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einlaßventiltrieb (10) einen elektromagnetischen Aktuator (15) aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einlaßventiltrieb (11, 12) zumindest teilweise einstückig mit einem Auslaßventiltrieb ausgeführt ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem Zylinder (16, 17) eine Drosselklappe (18, 19) zugeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einem Zylinder (20, 21) der Zündzeitpunkt veränderbar ist.

9. Brennkraftmaschine zumindest nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch eine primäre Zylindergruppe (22), deren Zylinder (13, 16, 17, 20, 21) jeweils zumindest einen stufenlos einstellbaren Einlaßventiltrieb (10) mit dem ersten Einstellgrad und zumindest einen abschaltbaren Einlaßventiltrieb (11) mit dem gegenüber dem ersten Einstellgrad reduzierten, zweiten Einstellgrad aufweisen, und durch eine sekundäre, abschaltbare Zylindergruppe (23).

10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Lastbereich ausschließlich die Einlaßventiltriebe (10) mit dem ersten Einstellgrad der primären Zylindergruppe (22) aktiviert werden,
in einem zweiten, höheren Lastbereich die Einlaßventiltriebe (11) mit dem zweiten Einstellgrad der primären Zylindergruppe (22) aktiviert werden und
in einem dritten, nochmals höheren Lastbereich die sekundäre Zylindergruppe (23) aktiviert wird,
wobei innerhalb den Lastbereichen die Last zumindest weitgehend über die Einlaßventiltriebe (10) mit dem ersten Einstellgrad der primären Zylindergruppe (22) eingestellt wird.