DE10344913A1

DE10344913A1 - Motor mit modifizierten Nockenprofilen zur internen AGR-Steuerung

Info

Publication number: DE10344913A1
Application number: DE10344913A
Authority: DE
Inventors: Brian W. Shelby Township Geiser
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: DE10344913B4; US6810866B2; US20040074481A1

Abstract

Ein Motor enthält Nocken zum Betätigen von Einlass- und Auslassventilen, die einen Transport von Luft und Verbrennungsprodukten zu und aus einer Verbrennungskammer des Motors steuern. Die Nocken weisen Ventilöffnungs- und Schließkurven auf, die so zeitlich gesteuert werden können, dass die Öffnungskurve des Einlassventils die Schließkurve des Auslassventils teilweise überschneidet, was eine Rückhaltung einiger Verbrennungsprodukte in der Verbrennungskammer bei einer einströmenden Luftfüllung erlaubt. Zumindest einer der Nocken weist eine variable Zeitsteuerung auf, um die Ventilüberschneidung zum Steuern des Betrags einer Abgasrückhaltung oder -rückführung (AGR) zu variieren. Die überschneidenden Abschnitte der Nockenöffnungs- und -schließkurven sind verlängert, um eine verhältnismäßig lineare Variation in der Ventilüberschneidungsfläche über den Bereich der variablen Zeitsteuerung der Nocken zu liefern. Eine Variation der Abgasrückhaltung in der Verbrennungskammer wird folglich eine verhältnismäßig konstante Funktion der Dauer einer Ventilüberschneidung in jedem Motorzyklus, und eine Steuerung des AGR-Betrags wird verbessert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Ventiltriebe für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf modifizierte Nockenüberschneidungsprofile zur Steuerung der internen Abgasrückführung oder -rückhaltung (AGR).

In der Kraftfahrzeugmotortechnik ist bekannt, einen Motor mit einem oder mehreren Zylindern mit doppelten Nockenwellen vorzusehen, eine zum Betätigen der Motoreinlassventile und eine zweite Nockenwelle zum Betätigen der Motorauslassventile. Auch bekannt ist, einen Nockenphasensteller oder eine Einstellvorrichtung für die Nockenwellensteuerung auf einer der oder beiden Nockenwellen vorzusehen, um innerhalb vorbestimmter Bereiche die Winkellagen oder Phasen der Nockenwellen in Bezug auf die Motorkurbelwelle einzustellen. Eine bekannte Anordnung ist, einen einzelnen Nockenphasensteller auf der Auslassnockenwelle zu montieren, obgleich zwei Phasensteller genutzt werden können, falls dies erwünscht ist.

In einer Referenzanordnung stellt der Auslassnockenphasensteller die Zeitsteuerung der Auslassnockenwelle während des Motorbe triebs ein, um den Betrag der AGR zu variieren, der in den Verbrennungskammern des Motors während der Kompressions- und Verbrennungsprozesse verbleibt. Eine Verdünnung der Frischluftfüllungen durch Abgas während bestimmter Betriebszustände des Motors wird genutzt, um den Ausstoß von Stickoxiden (NOx) zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Die Variation der internen AGR wird erreicht durch Vergrößern oder Verringern der Überlappung bzw. Überschneidung der Schließbewegung der Auslassventile und der Öffnungsbewegung der Einlassventile, indem die relative Zeitsteuerung ihrer Nockenprofile, die die Ventile betätigen, über eine Einstellung der Winkellage einer der oder beider Nockenwellen variiert wird.

Im allgemeinen ist erwünscht, die Motorzylinderfüllungen mit erheblichen Mengen von zurückgehaltenem Abgas zu verdünnen. Der Verdünnungsbetrag muss jedoch unter einen Betrag gesteuert werden, der eine Instabilität im Verbrennungsprozess hervorruft und den Betrieb des Motors nachteilig beeinflusst. Folglich muß der während verschiedener Motorbetriebszustände zugelassene Überschneidungsbetrag durch Kalibrierung eingerichtet werden, um schlechteste bzw. ungünstigste Betriebszustände zu vermeiden, die eine Instabilität hervorrufen könnten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ergibt sich zum Teil aus einer Erkenntnis, dass das Problem einer genauen Steuerung der Abgasverdünnung durch Variieren der Nockensteuerung durch die Gestalt der Hubkurven der gewöhnlichen Einlass- und Auslassventilnocken erschwert wird. Im allgemeinen beginnen und beenden beide Arten von Nocken ihre Öffnungs- und Schließkurven mit verhältnismäßig flachen Steigungen und Beschleunigungs- oder Verzögerungszonen. Dazwischen beschleunigen und verzögern die Kurven in mehr oder weniger exponentieller Weise. Bei einer normalen Ventilüberschneidung, bei der keine erhöhte Verdünnung der Zylinderfüllung erwünscht ist, überlappt bzw. überschneidet folglich der flache Verzögerungsabschnitt des Auslassventils den flachen Beschleunigungsabschnitt auf dem Einlassventil über eine verhältnismäßig kurze Distanz, was eine verhältnismäßig kleine maximale Fläche der Ventilüberschneidung und somit einen geringen Verdünnungsbetrag liefert.

Während der Auslassnocken durch den Nockenphasensteller zum Beispiel verzögert wird, bewegen sich die überschneidenden Abschnitte der Hubkurven schnell in die exponentiellen Schließ- und Öffnungsabschnitte der Auslass- und Einlassnockenprofile. Die maximale Überschneidungsfläche nimmt demgemäß schnell auf einen viel größeren Betrag zu, als Anfangs zur Verfügung steht, so dass eine große Änderung der Überschneidungsfläche mit einer verhältnismäßig geringen Bewegung des Phasenstellers stattfindet. Dies erschwert eine genaue Steuerung des AGR-Betrags in den Zylindern und erfordert, dass die Kalibrierungseinstellungen für alle Motoren auf eine Position zurückgestellt (engl. backed off) werden, wo keiner der Motoren in einem instabilen Verbrennungszustand arbeiten wird, selbst wenn es eine erhebliche Schwankung im in den jeweiligen Motoren auftretenden Verdünnungsbetrag geben kann.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem, indem modifizierte Nockenprofile vorgesehen werden, die die Änderungsrate der Ventilüberschneidungsfläche ändern, während die Nockenphase oder Winkella ge über den Bereich des Nockenphasenstellerhubs eingestellt wird, so dass die gesamte Ventilüberschneidungsfläche in einer verhältnismäßig linearen Weise variiert, während eine Einstellung der Nockenphase die Dauer der Ventilüberschneidung ändert. Auf diese Weise wird die mehr oder weniger exponentielle Beziehung des AGR-Stroms mit dem Nockenphasenstellerhub durch eine linearere Beziehung ersetzt. Die Variation der Abgasrückhaltung in der Verbrennungskammer wird somit eine verhältnismäßig lineare Funktion der Dauer der Ventilüberschneidung in jedem Motorzyklus, und die Steuerung des AGR-Betrages wird verbessert.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung vollständiger verstanden, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.

1 ist eine bildliche Darstellung eines Motors mit Teilen, die weggebrochen sind, um interne Komponenten zu zeigen, die die Erfindung betreffen.
2 ist ein Diagramm, das die Hubkurven oder Öffnungs- und Schließkurven für Auslass- und Einlassnocken in einer herkömmlichen Zeitsteueranordnung darstellen.
3 ist ein Diagramm ähnlich 2, das aber die Hubkurven eines Motors mit einem gemäß der Erfindung modifizierten Auslassnocken zeigt.
4 ist eine Ansicht ähnlich 2 und 3, die aber die Hubkurven einer Nockenwelle mit dem gemäß der Erfindung modifizierten Einlassnocken zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 der Zeichnungen bezeichnet im Einzelnen Bezugszeichen 10 allgemein einen Verbrennungsmotor mit einer einzelnen Zylinderreihe 12 mit mehreren Zylindern 14. Die Zylinder sind durch einen Zylinderkopf 16 mit mehreren Einlassventilen 18 zum Zuführen von Einlassfüllungen zu den Zylindern und mehreren Auslassventilen 20 zum Abführen bzw. Ableiten von Abgasen aus den Zylindern geschlossen. Die Einlassventile 18 werden durch Einlassnocken 22 einer Einlassnockenwelle 24 betätigt. Die Auslassventile 20 werden durch Auslassnocken 26 betätigt, die von einer Auslassnockenwelle 28 getragen werden.
Beide Nockenwellen sind im Zylinderkopf drehbar montiert und werden durch die Motorkurbelwelle 30 über eine Kette 32 angetrieben, die Einlass- und Auslasskettenräder 34, 36 antreibt, die mit den Einlass- und Auslassnockenwellen 24 bzw. 28 antreibend verbunden sind. Das Auslasskettenrad 36 enthält einen Nockenphasensteller 38, der betätigt werden kann, um für einen normalen Betrieb die Winkellage oder Phase der Auslassnockenwelle über einen vorbestimmten Winkelbereich aus ihrer Anfangsstellung zu variieren.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Nockenhubdiagramm eines herkömmlichen Motors, worin die Hubkurve 40 eines Auslassnoc kens eine Öffnungskurve 42 und eine Schließkurve 44 einschließt und die Hubkurve 46 eines Einlassnockens ähnlich eine Öffnungskurve 48 und eine Schließkurve 50 einschließt. Es wird besonders erwähnt, dass die Kurven 40, 46 mit verhältnismäßig flachen Beschleunigungs- und Verzögerungsabschnitten 52, 54 beginnen und enden, die sich schnell mit ihren entsprechenden Öffnungs- und Schließkurven nach oben verbinden, die mehr oder weniger exponentiell zunehmende Steigungen für ein schnelles Öffnen und Schließen der Ventile aufweisen.
"Überschneidungsfläche", wie hierin verwendet, gibt die kumulative Fläche eines sich überschneidenden Ventilhubs über den Kurbelwellenwinkel der Überschneidungsperiode an, die auf einem Diagramm einer Ventilsteuerung wie z.B. in 2–4 der Zeichnungen dargestellt angegeben ist. Die Überschneidungsfläche kann somit in mm-Grad ausgedrückt werden. "Überschneidungsmittellinie" gibt einen ausgewählten Zeitpunkt an, wenn beide Ventile in gleichem Umfang offen sind.
Bei einer herkömmlichen festen Zeitsteuerung von Einlass- und Auslassnocken für einen gesamten Motorbetrieb überschneidet der Verzögerungsabschnitt 54 der Auslasskurve 40 den Beschleunigungsabschnitt 52 des Einlassnockens 46 während nur etwa 50° einer Drehung des Motorkurbelwellenwinkels. Bei der Überschneidungsmittellinie sind beide Ventile nur etwa 0,3 mm offen. Das Ergebnis ist eine verhältnismäßig kleine Ventilüberschneidungsfläche, die durch eine Kurve 56 von 2 vergrößert dargestellt ist und eine verhältnismäßig kleine Periode repräsentiert, in der ein Transport von Abgasen aus den Auslassventilöffnungen zu den Einlassventilöffnungen stattfinden kann.
Falls der Motor mit einem Nockenphasensteller versehen ist, der ermöglicht, dass der Phasenwinkel des Auslassnockens beispielsweise bis zu 80° verzögert wird, erkennt man, dass eine Zunahme der Überschneidung in Graden des Kurbelwellenwinkels die Überschneidungsfläche für die Abgasrückhaltung (AGR) schnell vergrößern wird, da der Schnittpunkt der Ventilkurven aufgrund des scharfen Aufwärtswinkels der sich schneidenden Kurven 44, 48 schnell ansteigt. Bei einer maximalen Verzögerung von 80° zeigt sich, dass die Ventilüberschneidungsfläche mit einer Zunahmerate von etwa dem Zehnfachen der anfänglichen Überschneidungsfläche zunehmen würde.
Das Ergebnis ist, dass eine signifikante Verzögerung des Phasenwinkels des Auslassnockens eine schnelle Zunahme der AGR zur Folge hat, was es schwierig macht, AGR mit einem vernünftigen Grad an Genauigkeit zu steuern und Schwankungen zwischen Motoren zu berücksichtigen, ohne den Punkt in einigen Motoren zu erreichen, wo sich eine Instabilität ergibt. Demgemäß muss eine Kalibrierung von Steuerungen, die mit der Phasenwinkeländerung verbunden ist, konservativ sein, um eine Instabilität der Verbrennung zu vermeiden. Dies hat zur Folge, dass man keinen so großen AGR-Strom vorsehen kann, wie unter vielen Motorzuständen wünschenswert sein könnte.
Bezugnehmend nun auf 3 der Zeichnungen repräsentiert Bezugszeichen 58 ein modifiziertes Paar gemäß der Erfindung ausgebildeter Ventilhubkurven, um die vorher angegebenen Steuerungsprobleme zu reduzieren. In 3 ist die Hubkurve 46 des Einlassnockens gleich gelassen wie in der Standardausführungsform von 2. Jedoch ist eine neue Hubkurve 60 des Auslassnockens vorgesehen, die eine Öffnungskurve 62 aufweist, welche abwärts in eine Schließkurve 64 übergeht, die um einen vorbestimmten Kurbelwinkel, z.B. etwa 50°, gegenüber der herkömmlichen Schließkurve 44 von 2 vorgerückt ist. Von einem Ventilhub in der Nähe von 1 mm läuft die Schließkurve in eine verlängerte AGR-Überschneidungskurve 66 mit einer flachen Abwärtsneigung über einen vorbestimmten Phasenwinkel von z.B. etwa 75° bis 100° aus, wonach das Ventil mit einer herkömmlichen Verzögerungsschließkurve geschlossen wird.
Als Folge dieser Modifikation bewegen Winkelverstellungen des Nockenphasenstellers 38 von 1 die Öffnungskurve 62 näher zur Einlassnockenkurve 46 oder weiter von ihr weg. Wegen des nahezu horizontalen oder geringfügig abwärts geneigten Winkels der Überschneidungskurve 66 ist die Änderung der Überlappungs- bzw. Überscheidungsfläche der Ventile verhältnismäßig linear, bis die Schließkurve 64 des Auslassnockens sich der Öffnungskurve 48 des Einlassnockens 46 nähert. Während dieser Variation der Überschneidung variiert dann die Ventilüberschneidungsfläche verhältnismäßig linear über den Bereich von Phasenwinkeln, während denen die Überschneidung stattfindet.
Demgemäß wird die Änderung im AGR-Strom mit der Variation des Phasenwinkels im Gegensatz zur exponentiellen Funktion, die sich aus der standardmäßigen oder herkömmlichen Ventilzeitsteueranordnung von 2 ergibt, eine mehr oder weniger lineare Funktion der Änderung des Phasenwinkels. Auf diese Weise wird die Steuerung eines AGR-Stroms einfacher vorgenommen, da plötzliche Änderungen im AGR-Strom im Wesentlichen eliminiert sind und eine im Allgemeinen lineare Funktion geliefert wird.
4 repräsentiert eine alternative Ausführungsform modifizierter Nockenkurven 68 ähnlich 3, worin aber die Auslassnockenkurve 40 dem herkömmlichen Modus folgt und eine modifizierte Hubkurve 70 des Einlassnockens vorgesehen ist. Ihre Öffnungskurve 72 ist so modifiziert, dass sie eine anfängliche verlängerte Überschneidungskurve 74 enthält und die Winkellage der Öffnungskurve 72 auf bis zu etwa 50° verzögert ist, um für einen ausgedehnten, im Wesentlichen linearen Bereich einer Überschneidung ähnlich dem der Ausführungsform von 3 zu sorgen. In dieser letztgenannten Anordnung könnte der Nockenphasensteller auf der Einlassnockenwelle angeordnet sein, um die Winkelphase der Hubkurve 70 des Einlassnockens zu variieren.
Als Alternative zum Vorhergehenden könnte die Ausführungsform von 3 unter Verwendung eines Nockenphasenstellers betrieben werden, der den Einlassnocken steuert, während der Auslassnocken in einer festen Winkellage bleibt, aber die verlängerte Überschneidungskurve 66 wie dargestellt enthält. Das Ergebnis würde noch eine ausgedehnte Periode mit einer im Wesentlichen linearen Überschneidungsfläche erlauben, die eine ungefähr lineare AGR-Funktion in Bezug auf die Winkeländerung in der Einlassnockenstellung ergäbe.
Umgekehrt könnte die Ausführungsform von 4 mit dem Nockenphasensteller auf dem Auslassnocken betrieben werden, während der Einlassnocken fest bleibt, aber die ausgedehnte Überschneidungskurve 74 enthält, so dass der Effekt auf die lineare Überschneidung wieder der gleiche bleibt.
Schließlich sollte besonders erwähnt werden, dass die gleichen oder ähnlichen Ergebnisse erhalten werden könnten, falls ausgedehnte Überschneidungsflächen auf sowohl den Einlass- als auch Auslassnocken vorgesehen würden, so dass wieder eine ausgedehnte Überschneidungsperiode geschaffen wird, die mit einer Verstellung eines der oder beider Nocken über Nockenphasensteller im Wesentlichen linear variiert.
Ein Motor enthält Nocken zum Betätigen von Einlass- und Auslassventilen, die einen Transport von Luft und Verbrennungsprodukten zu und aus einer Verbrennungskammer des Motors steuern. Die Nocken weisen Öffnungs- und Schließkurven von Ventilen auf, die so zeitlich gesteuert werden können, dass die Öffnungskurve des Einlassventils die Schließkurve des Auslassventils teilweise überschneidet, was eine Rückhaltung einiger Verbrennungsprodukte in der Verbrennungskammer bei einer einströmenden Luftfüllung erlaubt. Zumindest einer der Nocken weist eine variable Zeitsteuerung auf, um zum Steuern des Betrags einer Abgasrückhaltung oder -rückführung (AGR) die Ventilüberschneidung zu variieren. Die überschneidenden Abschnitte der Nockenöffnungs- und -schließkurven sind verlängert, um eine verhältnismäßig lineare Variation in der Ventilüberschneidungsfläche über den Bereich der variablen Zeitsteuerung der Nocken zu liefern. Eine Variation der Abgasrückhaltung in der Verbrennungskammer wird folglich eine verhältnismäßig konstante Funktion der Dauer einer Ventilüberschneidung in jedem Motorzyklus, und eine Steuerung des AGR-Betrags wird verbessert.

Claims

Motor mit Nocken zum Betätigen von Einlass- und Auslassventilen, die einen Transport von Luft und Verbrennungsprodukten zu und aus einer Verbrennungskammer des Motors steuern, wobei die Nocken Ventilöffnungs- und -schließkurven aufweisen, die so zeitlich festgelegt werden können, dass die Öffnungskurve der Einlassventile die Schließkurve der Auslassventile teilweise überschneidet, was eine Rückhaltung einiger Verbrennungsprodukte in der Verbrennungskammer bei einer einströmenden Luftfüllung erlaubt, wobei zumindest einer der Nocken eine variable Zeitsteuerung aufweist, um die Ventilüberschneidung zum Steuern des Betrags einer Abgasrückhaltung zu variieren, worin: Überschneidungsabschnitte der Nockenöffnungs- und -schließkurven eine verhältnismäßig lineare Änderung der Ventilüberschneidungsfläche über einen ausgedehnten Bereich einer Dauer der variablen Zeitsteuerung des Nockens liefern; wodurch eine Variation der Abgasrückhaltung in der Verbrennungskammer eine verhältnismäßig konstante Funktion der Variation der Dauer einer Ventilüberschneidung in jedem Motortakt ist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung des Auslassventils variabel ist und die Schließkurve des Auslassnockens die ausgedehnte Überschneidungsfläche liefert.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung des Einlassventils variabel ist und die Öffnungskurve des Einlassnockens die ausgedehnte Überschneidungsfläche liefert.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung sowohl der Einlass- als auch Auslassventile variabel ist und die Überschneidungskurven der Einlass- und Auslassnocken die ausgedehnte Überschneidungsfläche liefern.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung des Auslassventils variabel ist und die Öffnungskurve des Einlassnockens die ausgedehnte Überschneidungsfläche liefert.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung des Einlassventils variabel ist und die Schließkurve des Auslassnockens die ausgedehnte Überschneidungsfläche liefert.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgedehnte Überschneidungsfläche durch eine Winkelerweiterung zumindest einer der Auslass- und Einlassnockenkurven geliefert wird, die einander überschneiden, wobei die Erweiterung ein nahezu konstantes Hubmaß über den Umfang des Winkelbereichs der Ventilüberschneidung aufweist.
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung eine geringe Abwärtsneigung von der vollen Hubkurve in Richtung auf das äußere Ende der Erweiterung aufweist.