DE10307167A1 - Verfahren zur Steuerung eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein erstes und ein zweites Einlassventil aufweist, wobei der Schließzeitpunkt (20, 26, 30, 38, 34) des ersten Einlassventils verstellbar ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass der Schließzeitpunkt (20, 26, 30, 38, 34) des ersten Einlassventils bei einer ersten Motordrehzahl vor und bei einer zweiten Motordrehzahl hinter dem Schließzeitpunkt (22) des zweiten Einlassventils liegt, wobei die erste Motordrehzahl kleiner ist als die zweite Motordrehzahl.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Heute übliche Brennkraftmaschinen sind dazu ausgelegt, über einen weiten Drehzahlbereich betrieben zu werden. Um über den weiten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment bei gleichzeitig akzeptabler Effizienz und geringen Abgaswerten zu erreichen, müssen Kompromisse im Design der Ventilgeometrie und der Ventilsteuerung, des Gaseinströmsystems und der Brennkraftzufuhr eingegangen werden. Brennkraftmaschinen werden üblicherweise mehr in einem unteren als in einem höheren Drehzahlbereich betrieben. Es ist daher bzgl. des Schadstoffausstoßes besonders sinnvoll, eine Brennkraftmaschine so zu gestalten, dass sie insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich eine effiziente Verbrennung mit einer geringen Schadstofferzeugung zulässt. Problematisch im Hinblick auf den Schadstoffausstoß sind Dieselmotoren, die aufgrund ihrer Zylinderinnengeometrie üblicherweise mit einem Ventiltrieb mit formschlüssiger und starrer Geometrie ausgestattet sind. Die Auslegung der Ventilerhebungskurve erfolgt in nicht unerheblichem Maße nach Gesichtspunkten von erzielbarer Leistung und Drehmoment. Zur Einhaltung der Abgasgesetzgebung wird die Einspritzung variiert und durch Abgasnachbehandlungstechniken versucht, die Schadstoffe umzuwandeln.
  • Es ist bekannt, dass eine gute Verwirbelung der in das Zylinderinnere strömenden Verbrennungsluft, der so genannte Drall, zu einem Verwehen des eingespritzten Kraftstoffs und somit zu einer guten Verbrennung mit einer hohen Leistungsausbeute und relativ niedriger Schadstoffemission beitragen kann. Zur Erzeugung eines Dralls schlägt die DE 196 06 054 C2 vor, dass zwei Einlassventile eines Zylinders in einem oder zwei Hubübertragungsmodi mit unterschiedlichen Hubkurven betrieben werden. Durch die unterschiedlichen Ventilhübe der beiden Einlassventile ergibt sich eine gezielte drallförmige Verwirbelung, durch die der Verbrennungsablauf beeinflusst und verbessert werden kann. Auch in der DE 43 419 45 A1 wird, allerdings mit Bezug auf einen Otto-Motor, erwähnt, dass eine Verbesserung der Einströmbedingungen durch eine gezielte Steuerung des Ventilhubs erreicht werden kann.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem sowohl eine besonders effiziente Verbrennung als auch ein hohes Drehmoment erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, der mindestens ein erstes und ein zweites Einlassventil aufweist, wobei der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils verstellbar ist.
  • Es wird vorgeschlagen, dass der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils bei einer ersten Motordrehzahl vor und bei einer zweiten Motordrehzahl hinter dem Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils liegt, wobei die erste Motordrehzahl kleiner ist als die zweite Motordrehzahl.
  • Versuche haben gezeigt, dass ein guter Drall der in das Zylinderinnere strömenden Verbrennungsluft zwar mit einem unterschiedlichen Hub der beiden Einlassventile in befriedigender Weise erzeugt werden kann. Eine ebenfalls gute oder sogar noch bessere Drallerzeugung bei gleichzeitig gutem Füllungsgrad des Zylinders im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine jedoch dann erreicht wird, wenn eines der Einlassventile früher schließt als das andere Einlassventil. Die am Ende eines Einlassvorgangs nur durch ein Einlassventil in das Zylinderinnere strömende Verbrennungsluft erzeugt einen zur Verwehung des Kraftstoffs besonders effektiven Drall. Durch die Erfindung ist somit eine besonders effektive drehzahlabhängige Drallsteuerung durch die Ventilsteuerung möglich. Hierdurch kann der Grunddrall, der durch die Kanalgeometrie verursacht wird, geringer ausgelegt werden. Durch den früheren Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils, also einer zeitlich schmalen Ventilerhebungskurve, wird außerdem ein hoher Drall mit hohem Luftaufwand ermöglicht. Außerdem werden Füllungsverluste vermieden. Es ergeben sich des Weiteren bei einem Betrieb mit einer schmalen Ventilerhebungskurve Verbesserungen der Schadstoffemissionen, insbesondere bezüglich der Schadstoffpartikel. Ferner kann der effektive Mitteldruck bei geringen Drehzahlen gemäß der Steigerung des Luftaufwandes gesteigert werden. Somit ergibt sich ein Drehmomentgewinn bei einer Anfahrdrehzahl, und es können Anfahrschwächen verringert werden.
  • Zu hohen Drehzahlen hin wird der Schließzeitpunkt des ersten Ventils vom drallerzeugenden frühen Zeitpunkt nach spät verschoben. Hierdurch kann das Drallverhalten der einströmenden Verbrennungsluft bei hohen Drehzahlen mittels der Ladungsbewegung gezielt verringert werden. Die längere Ventilöffnungszeit und die gezielte Verringerung des Dralls ermöglicht eine Verminderung der Ladungswechselarbeit. Der effektive Mitteldruck kann bei geringen Drehzahlen gemäß der Steigerung des Luftaufwands gesteigert werden. Es wird der Füllungsgrad erhöht, was zu einem Leistungsgewinn im hohen Drehzahlbereich, und insbesondere bei Nenndrehzahl, führt.
  • Zur zusätzlichen Drallerhöhung im unteren Drehzahlbereich ist es möglich, den Öffnet-Zeitpunkt des ersten Einlassventils nach spät zu verstellen. Das erste Einlassventil öffnet somit ohne Ventilüberschneidung mit dem Auslassventil. Dadurch kann im Zylinder ein Unterdruck erzeugt werden, der beim Öffnen des ersten Ventils hohe Gasgeschwindigkeiten nach sich zieht. Zusätzlich zu dem auf diese Weise erzeugten hohen Drall kann durch diese Maßnahme das geometrische Verdichtungsverhältnis gesenkt werden, da beim Motorstart die Ventilüberschneidung entfällt. Der Aufladegrad kann gesteigert werden, wenn das geometrische Verdichtungsverhältnis sinkt. Zweckmäßigerweise werden durch eine möglichst steile Auslegung der Rampe die Ladungswechselverluste minimiert und ein großer Verstellbereich wird ermöglicht. Eine besonders einfache Steuerung wird mit einem Öffnet-Zeitpunkt mit geringer oder keiner Variabilität erreicht.
  • Zweckmäßigerweise liegt der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils bei der ersten Motordrehzahl um mindestens 20°, gemessen am Kurbelwinkel, insbesondere mindestens 40°, vor dem Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils bei der zweiten Motordrehzahl. Hierdurch wird eine besonders effektive Drallerzeugung im niedrigen Drehzahlbereich und eine besonders große Leistung im hohen Drehzahlbereich erreicht. Eine weitere Verbesserung bezüglich Schadstoffausstoß bzw. Leistung kann erreicht werden, wenn der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils bei der ersten Motordrehzahl mindestens 20° vor und bei der zweiten Motordrehzahl mindestens 20° hinter dem Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils liegt.
  • Eine besonders einfache, kostengünstige sowie Bauraum sparende Konstruktion wird dadurch erreicht, dass der Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils über den gesamten Drehzahlbereich konstant gehalten wird. Das zweite Einlassventil muss hierbei nicht steuerbar sein und kann beispielsweise über einen festen Nocken betätigt werden.
  • Vorteilhafterweise liegt der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils unterhalb einer dritten Motordrehzahl, die zwischen der ersten und der zweiten Motordrehzahl liegt, vor dem Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils. Hierdurch kann eine gute Drallerzeugung im gesamten Drehzahlbereich unterhalb der dritten Motordrehzahl erzielt werden. Die dritte Motordrehzahl liegt hierbei zweckmäßigerweise oberhalb des Drehzahlbereichs, in dem sich ein starker Drall positiv auf die Leistung und die Schadstoffemission auswirkt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die dritte Motordrehzahl in Abhängigkeit von einem angeforderten Drehmoment gesteuert. So kann die dritte Motordrehzahl beispielsweise bei einem hohen angeforderten Drehmoment, also bei einer hohen Last, nach unten abgesenkt werden, so dass schon in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils von früh nach spät verstellt wird. Hierdurch wird eine besonders variable Anpassung der Ventilsteuerung an Leistungsvorgaben erreicht. Dies kann bei einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine von Vorteil sein, bei dem unter hoher Last ein hoher Befüllungsgrad des Zylinders Vorrang vor einem ausgeprägten Drall mit geringen Abgasemissionswerten hat.
  • Eine besonders kostengünstige Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erreicht werden, indem der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils unterhalb der dritten Motordrehzahl mit konstantem Zeitabstand vor dem Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils liegt. Bei einer solchen Steuerung des Schließzeitpunkts des ersten Einlassventils muss das Einlassventil unterhalb der dritten Motordrehzahl nicht abhängig von der Motordrehzahl gesteuert werden.
  • Liegt der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils insbesondere oberhalb der dritten Motordrehzahl mit konstantem Zeitabstand nach dem Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils, so muss das Einlassventil in diesem Drehzahlbereich ebenfalls nicht drehzahlabhängig gesteuert werden. Insbesondere bei einer Konstanz des Schließzeitpunkts oberhalb und unterhalb der dritten Motordrehzahl ist eine einfache Steuerung, beispielsweise mit einem ersten und einem zweiten auf einen Nockenfolger wirkenden Teilnocken, möglich. Ebenfalls denkbar ist die Steuerung des Einlassventils mit einem Steuerungselement, das zwei voneinander entkoppelbare Nockenabgriffe aufweist.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Geometrie des Zylinders so ausgestaltet, dass durch das Einströmen von Gas durch lediglich die Einlassöffnung des ersten Ventils ein erster Drall im Zylinder erzeugt wird und durch das Einströmen von Gas durch lediglich die Einlassöffnung des zweiten Ventils ein zweiter Drall im Zylinder erzeugt wird, wobei der zweite Drall erheblich stärker ist als der erste Drall. Hierdurch wird bei niedriger Drehzahl, bei dem zum Ende des Einlassbereichs nur das zweite Ventil geöffnet ist, ein starker Drall erzeugt, wohingegen bei einer hohen Drehzahl, bei dem am Ende des Einlassbereichs nur das erste Einlassventil geöffnet ist, nur ein geringer oder im Wesentlichen kein Drall erzeugt wird. Es kann bei niedriger Drehzahl ein hoher Drall und bei hoher Drehzahl ein niedriger Drall verbunden mit einer besseren Luftladeleistung erreicht werden. Die Geometrie des Zylinders umfasst die Geometrie der Einlassöffnungen und ggf. die Ventilgeometrie.
  • Eine besonders variable Steuerung des ersten Einlassventils wird erreicht, indem das erste Einlassventil durch eine elektromagnetische Ventilsteuerung betätigt wird. Außerdem wird das Verfahren vorteilhafterweise bei einer Dieselbrennkraftmaschine angewandt, da dort im niedrigen Drehzahlbereich ein hoher Drall besonders effektiv zur einer Leistungsverbesserung und Schadstoffreduzierung führt.
    •
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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.
  • Dabei zeigen:
  • 1 mögliche Ventilerhebungskurven von Einlassventilen und einem Auslassventil bei einer ersten Motordrehzahl und
  • 2 mögliche Ventilerhebungen der Einlassventile und des Auslassventils bei einer zweiten Motordrehzahl.
  • 1 und 2 zeigen jeweils die Ventilerhebung von zwei Einlassventilen und einem Auslassventil eines Zylinders in einem Diagramm, bei dem die Ventilerhebung über dem Kurbelwinkel aufgetragen ist. Es ist hierbei für die Erläuterung der Ausführungsbeispiele unerheblich, ob der Zylinder weitere Ventile aufweist. Links vom mit 360° markierten oberen Totpunkt ist die Ventilerhebung 2 des Auslassventils und rechts vom oberen Totpunkt sind mögliche Ventilerhebungen 4, 6, 8, 10, 12, 14 der Einlassventile dargestellt.
  • 1 zeigt mögliche Ventilsteuerungen für die Einlassventile bei einer ersten Motordrehzahl, die typischerweise im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine liegt. Das erste der zwei Einlassventile ist mit einer variablen Ventilsteuerung ausgestattet, wohingegen das zweite Einlassventil starr angesteuert wird, beispielsweise durch einen einfachen Nocken. Das zweite Einlassventil weist eine Ventilerhebung 4 auf, die über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine konstant ist. Das erste Einlassventil weist im gesamten Drehzahlbereich, der unterhalb einer dritten Motordrehzahl liegt, die unveränderte Ventilerhebung 6 bzw. 8 auf.
  • In 1 sind zwei mögliche Ventilerhebungen 6, 8 des ersten und variabel steuerbaren Einlassventils dargestellt. In einer ersten Steuerungsvariante des ersten Einlassventils liegt die Ventilerhebung 6 so, dass der Öffnungszeitpunkt 16 des variabel ansteuerbaren ersten Einlassventils in etwa gleich ist wie der Öffnungszeitpunkt 18 des starr angesteuerten zweiten Einlassventils. Der Schließzeitpunkt 20 des ersten Einlassventils liegt hingegen um etwa 40° vor dem Schließzeitpunkt 22 des zweiten Einlassventils. Bedingt dadurch, dass zum Ende des Einlasszeitbereichs nur noch das zweite Einlassventil geöffnet ist, entsteht im Zylinderinnenraum ein durch die durch das zweite Einlassventil einströmende Verbrennungsluft starker Drall. Hierdurch wird in einem nachfolgenden Kraftstoffeinspritzprozess der Kraftstoff im Zylinder befriedigend homogen verweht.
  • In einer alternativen Steuerungsvariante des ersten Einlassventils ist die Ventilerhebung 8 gegenüber der Ventilerhebung 6 etwas in Richtung spät verschoben. Hierdurch bedingt ist der Öffnungszeitpunkt 24 des ersten Einlassventils gegenüber dem Öffnungszeitpunkt 18 des zweiten Einlassventils ebenfalls in Richtung spät verschoben. Der Schließzeitpunkt 26 des ersten Einlassventils ist jedoch gegenüber dem Schließzeitpunkt 22 des zweiten Einlassventils immer noch um etwa 20° in Richtung früh verschoben. Durch den Öffnungsversatz der Ventilerhebung 8 gegenüber der Ventilerhebung 4 wird bei geringen Drehzahlen der Drall hauptsächlich am Beginn des Einlassbereichs erzeugt. Durch die späte Öffnung des ersten Einlassventils, das ohne Ventilüberschneidung bezüglich des Auslassventils öffnet, wird ein Unterdruck im Zylinder erzeugt, der beim Öffnen des ersten Einlassventils hohe Gasgeschwindigkeiten nach sich zieht. Durch eine möglichst steile Auslegung der Rampe werden die Ladungswechselverluste minimiert und ein großer Verstellbereich ermöglicht. Der Ventilhub der beiden Einlassventile liegt in etwa gleich, und zwar bei etwas über 8 mm. Der Hub kann in den Ansteuerungsvarianten des ersten Einlassventils etwas schwanken, liegt jedoch immer im Wesentlichen im Bereich des Hubs des zweiten und starr angesteuerten Einlassventils.
  • 2 zeigt mögliche Ventilerhebungen 10, 12, 14 des ersten Einlassventils bei einer zweiten Motordrehzahl, die üblicherweise im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine liegt. In einer ersten Ansteuerungsmöglichkeit des ersten Einlassventils liegt die Ventilerhebung 10 des ersten Einlassventils um die Ventilerhebung 4 des zweiten Einlassventils herum. Dem ersten Einlassventil ist ein Öffnungszeitpunkt 28 zugeordnet, der um einige Grad früher liegt als der Öffnungszeitpunkt 18 des zweiten und starr angesteuerten Einlassventils. Der Schließzeitpunkt 30 des ersten Einlassventils ist hingegen gegenüber dem Schließzeitpunkt 22 des zweiten Einlassventils um etwa 15° nach spät verschoben. Bedingt durch die Geometrie des Zylinders ist somit bei hohen Drehzahlen der Drall mittels der Ladungsbewegung gezielt verringert, wodurch eine Verminderung der Ladungswechselarbeit erreicht werden kann. Durch die lange Öffnungszeit des ersten Einlassventils wird ein hoher Füllungsgrad des Zylinders erreicht, wodurch ein hohes Drehmoment erzielbar ist.
  • In einer alternativen Steuerungsvariante ist die mit der Ventilerhebung 10 von der Form her weitgehend identische Ventilerhebung 12 insgesamt in Richtung spät verschoben. Der Öffnungszeitpunkt 32 des ersten Einlassventils liegt somit nach dem Öffnungszeitpunkt 18 des zweiten Einlassventils. Ebenso liegt der Schließzeitpunkt 34 des ersten Einlassventils nach dem Schließzeitpunkt 22 des zweiten Einlassventils. Als eine weitere mögliche alternative Steuerungsvariante des ersten Einlassventils ist eine Ventilerhebung 14 gezeigt, die im Gegensatz zur Ventilerhebung 12 schmaler ausgeführt ist. Je nach Drehmomentanforderung kann die zeitliche Breite der Ventilerhebung 14 angepasst werden, wobei der Schließzeitpunkt 38 jedoch grundsätzlich hinter dem Schließzeitpunkt 22 des ersten Einlassventils liegt. Der Öffnungszeitpunkt 36 des ersten Einlassventils ist ebenfalls variabel verschiebbar und liegt im in 2 gezeigten Beispiel weit hinter dem Öffnungszeitpunkt 18 des zweiten Einlassventils.
  • Die Ventilerhebungen 10, 12 bzw. 14 des ersten Einlassventils sind über den gesamten Drehzahlbereich, der oberhalb der dritten Motordrehzahl liegt, konstant. Das erste Einlassventil wird so angesteuert, dass es unterhalb der dritten Motordrehzahl die Ventilerhebung 6 oder 8 aufweist. Wird die dritte Motordrehzahl überschritten, schaltet die Ventilsteuerung des ersten Ventils um, so dass das erste Einlassventil mit einer spät verstellten Ventilerhebung 10, 12 oder 14 betrieben wird. Der Schließzeitpunkt 22 des zweiten Einlassventils wird über den gesamten Drehzahlbereich konstant gehalten.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein erstes und ein zweites Einlassventil aufweist, wobei der Schließzeitpunkt (20, 26, 30, 38, 34) des ersten Einlassventils verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (20, 26, 30, 38, 34) des ersten Einlassventils bei einer ersten Motordrehzahl vor und bei einer zweiten Motordrehzahl hinter dem Schließzeitpunkt (22) des zweiten Einlassventils liegt, wobei die erste Motordrehzahl kleiner ist als die zweite Motordrehzahl.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (22) des zweiten Einlassventils über den gesamten Drehzahlbereich konstant gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (20, 26) des ersten Einlassventils unterhalb einer dritten Motordrehzahl, die zwischen der ersten und der zweiten Motordrehzahl liegt, vor dem Schließzeitpunkt (22) des zweiten Einlassventils liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Motordrehzahl in Abhängigkeit von einem angeforderten Drehmoment gesteuert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (20, 26) des ersten Einlassventils unterhalb der dritten Motordrehzahl mit konstantem Zeitabstand vor dem Schließzeitpunkt (22) des zweiten Einlassventils liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt (30, 34, 38) des ersten Einlassventils oberhalb der dritten Motordrehzahl mit konstantem Zeitabstand nach dem Schließzeitpunkt (22) des zweiten Einlassventils liegt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Zylinders so gestaltet ist, dass durch das Einströmen von Gas durch lediglich die Einlassöffnung des ersten Ventils ein erster Drall im Zylinder erzeugt wird und durch das Einströmen von Gas durch lediglich die Einlassöffnung des zweiten Ventils ein zweiter Drall im Zylinder erzeugt wird, wobei der zweite Drall erheblich stärker ist als der erste Drall.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einlassventil durch eine elektromagnetische Ventilsteuerung betätigt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche angewandt bei einer Dieselbrennkraftmaschine.
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