DE10344913B4 - Motor mit modifizierten Nockenprofilen zur internen AGR-Steuerung - Google Patents
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Abstract
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.
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.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Diese Erfindung bezieht sich auf Ventiltriebe für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf modifizierte Nockenüberschneidungsprofile zur Steuerung der internen Abgasrückführung oder -rückhaltung (AGR).
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 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.
- Die WO 97/12127 A1 beschreibt einen Motor mit Nocken zum Betätigen von Ein- und Auslassventilen, die einen Transport von Luft und Verbrennungsprodukten zu und aus der Verbrennungskammer steuern. Bei geringer Motorlast kann der Schließzeitpunkt des Auslassventils in Bezug auf den Kurbelwinkel verzögert werden, um den AGR-Betrag zu erhöhen. Umgekehrt kann bei hoher Motorlast der Schließzeitpunkt des Auslassventils nach vorne verschoben werden. Es ist allerdings keine zeitliche Steuerung der gesamten Öffnungs- und Schließkurve offenbart, sondern es wird ausschließlich der Schließzeitpunkt nach vorne oder nach hinten verschoben.
- 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 verschiede ner Motorbetriebszustände zugelassene Überschneidungsbetrag durch Kalibrierung eingerichtet werden, um schlechteste bzw. ungünstigste Betriebszustände zu vermeiden, die eine Instabilität hervorrufen könnten.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit Nocken zum Betätigen von Ein- und Auslassventilen, die einen Transport von Luft und Verbrennungsprodukten zu und aus der Verbrennungskammer steuern, mit einer verbesserten Steuerung der Verdünnung der Motorzylinderfüllung mit Abgas in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand zur Verfügung zu stellen.
- 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.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
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 ähnlich2 , das aber die Hubkurven eines Motors mit einem gemäß der Erfindung modifizierten Auslassnocken zeigt. -
4 ist eine Ansicht ähnlich2 und3 , 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 Bezugszeichen10 allgemein einen Verbrennungsmotor mit einer einzelnen Zylinderreihe12 mit mehreren Zylindern14 . Die Zylinder sind durch einen Zylinderkopf16 mit mehreren Einlassventilen18 zum Zuführen von Einlassfüllungen zu den Zylindern und mehreren Auslassventilen20 zum Abführen bzw. Ableiten von Abgasen aus den Zylindern geschlossen. Die Einlassventile18 werden durch Einlassnocken22 einer Einlassnockenwelle24 betätigt. Die Auslassventile20 werden durch Auslassnocken26 betätigt, die von einer Auslassnockenwelle28 getragen werden. - Beide Nockenwellen sind im Zylinderkopf drehbar montiert und werden durch die Motorkurbelwelle
30 über eine Kette32 angetrieben, die Einlass- und Auslasskettenräder34 ,36 antreibt, die mit den Einlass- und Auslassnockenwellen24 bzw.28 antreibend verbunden sind. Das Auslasskettenrad36 enthält einen Nockenphasensteller38 , 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 Hubkurve40 eines Auslassnoc kens eine Öffnungskurve42 und eine Schließkurve44 einschließt und die Hubkurve46 eines Einlassnockens ähnlich eine Öffnungskurve48 und eine Schließkurve50 einschließt. Es wird besonders erwähnt, dass die Kurven40 ,46 mit verhältnismäßig flachen Beschleunigungs- und Verzögerungsabschnitten52 ,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 Auslasskurve40 den Beschleunigungsabschnitt52 des Einlassnockens46 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 Kurve56 von2 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 Bezugszeichen58 ein modifiziertes Paar gemäß der Erfindung ausgebildeter Ventilhubkurven, um die vorher angegebenen Steuerungsprobleme zu reduzieren. In3 ist die Hubkurve46 des Einlassnockens gleich gelassen wie in der Standardausführungsform von2 . Jedoch ist eine neue Hubkurve60 des Auslassnockens vorgesehen, die eine Öffnungskurve62 aufweist, welche abwärts in eine Schließkurve64 übergeht, die um einen vorbestimmten Kurbelwinkel, z.B. etwa 50°, gegenüber der herkömmlichen Schließkurve44 von2 vorgerückt ist. Von einem Ventilhub in der Nähe von 1 mm läuft die Schließkurve in eine verlängerte AGR-Überschneidungskurve66 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 von1 die Öffnungskurve62 näher zur Einlassnockenkurve46 oder weiter von ihr weg. Wegen des nahezu horizontalen oder geringfügig abwärts geneigten Winkels der Überschneidungskurve66 ist die Änderung der Überlappungs- bzw. Überscheidungsfläche der Ventile verhältnismäßig linear, bis die Schließkurve64 des Auslassnockens sich der Öffnungskurve48 des Einlassnockens46 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 Nockenkurven68 ähnlich3 , worin aber die Auslassnockenkurve40 dem herkömmlichen Modus folgt und eine modifizierte Hubkurve70 des Einlassnockens vorgesehen ist. Ihre Öffnungskurve72 ist so modifiziert, dass sie eine anfängliche verlängerte Überschneidungskurve74 enthält und die Winkellage der Öffnungskurve72 auf bis zu etwa 50° verzögert ist, um für einen ausgedehnten, im Wesentlichen linearen Bereich einer Überschneidung ähnlich dem der Ausführungsform von3 zu sorgen. In dieser letztgenannten Anordnung könnte der Nockenphasensteller auf der Einlassnockenwelle angeordnet sein, um die Winkelphase der Hubkurve70 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 Überschneidungskurve66 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 Überschneidungskurve74 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 (8)
- 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.
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