DE10359936A1

DE10359936A1 - System zur Steuerung eines variablen Ventilbetätigungssystems

Info

Publication number: DE10359936A1
Application number: DE10359936A
Authority: DE
Inventors: Mark S. Bloomington Cavanagh
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US6655349B1

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilbetätigungssystems ist vorgesehen. Eine Einlassnockenanordnung wird betrieben, um ein Einlassventil zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. Eine Auslassnockenanordnung wird betrieben, um ein Auslassventil zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. Eine Motorbremse wird betrieben, um selektiv das Auslassventil von der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn ein Kolben auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist. Mindestens ein Betriebsparameter des Motors wird abgefühlt. Eine erwünschte Einlassventilbetätigungsperiode wird, basierend auf dem mindestens einen Betriebsparameter, bestimmt. Eine Ventilbetätigungsvorrichtung ist im Eingriff mit dem Einlassventil, um zu verhindern, dass das Einlassventil zu der ersten Position ansprechend auf den Betrieb der Einlassnockenanordnung zurückkehrt. Die Ventilbetätigungsvorrichtung wird gelöst, um zu gestatten, dass das Einlassventil am Ende der bestimmten Ventilbetätigungsperiode zur ersten Position zurückkehrt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung ist auf ein variables Ventilbetätigungssystem gerichtet, und insbesondere auf ein System und auf ein Verfahren zur Steuerung eines variablen Ventilbetätigungssystems zum Betrieb eines Motors.
Hintergrund
Emissionsverringerungen und Brennstoffausnutzung sind entgegenlaufender Bemühungen bei der Konstruktion und beim Betrieb eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise eines Diesel-, Benzin- oder Erdgas-Motors. Entsprechend wird ein beträchtlicher Aufwand an Forschung und Entwicklungsarbeit auf die Verringerung der Emissionen gerichtet, während man die Brennstoffausnutzung dieser Motorenarten beibehält oder verbessert. Irgend eine Steigerung der Brennstoffausnutzung wird sich direkt auf eine Verringerung der Brennstoffkosten auswirken, die mit dem Betrieb des Motors assoziiert sind, und zwar zusammen mit der Erzeugung von Kohlendioxid.
Die Stickoxide ("NOx") sind ein Bestandteil von Motoremissionen, die die Forscher versuchen, zu reduzieren. Die NOx-Erzeugung ist im allgemeinen proportional zu den Verbrennungstemperaturen und dem Volumen der übermäßigen Luft. Jedoch ist die Brennstoffausnutzung auch allgemein proportional zu den gleichen Faktoren. Herkömmliche NOx-Reduktionstechniken weisen die Steigerung der Masse von inerten Stoffen in einer Brennkammer vor der Verbrennung einer Brennstoff-Luft-Mischung auf, wie beispielsweise von Wasser oder rückzirkuliertem Abgas. Diese Maßnahmen können die Verbrennungstemperaturen und die Erzeugung von NOx verringern, können jedoch auch die Brennstoffausnutzung verringern.
Ein Ansatz zur Kompensation einer Verringerung des Brennstoffwirkungsgrades sieht die Steigerung des Druckes der Einlassluft vor, die zum Motor geliefert wird, und die Verbesserung der Steuerung über den Fluss von Gasen in den Motor hinein und aus diesem heraus. Dies kann erreicht werden, indem man einen Turbolader in dem Einlasslufttluss Pfad anordnet, und indem man das typische Motorventilbetätigungssystem modifiziert, um eine Flexibilität bei der Betätigungszeitsteuerung der Einlass- und Auslassventile vorzusehen. In dieser Weise kann der Fluss der Gase zum Motor und vom Motor zugeschnitten werden, so dass er die speziellen Betriebsbedingungen des Motors erfüllt, und dadurch kann der Brennstoffwirkungsgrad des Motors verbessert werden.
Die Motorventile in einem Verbrennungsmotor werden typischerweise durch eine Nockenanordnung angetrieben, die betriebsmässig mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist. Die Drehung der Kurbelwelle hat eine entsprechende Drehung einer Nocke zur Folge, die eine oder mehrere Nockenfolgevorrichtungen antreibt. Die Bewegung der Nockenfolgevorrichtungen hat eine Betätigung der Motorventile zur Folge. Die Form der Nocke regelt die Zeitsteuerung und die Dauer der Ventilbetätigung.
Ein Motor kann jedoch ein variables Ventilbetätigungssystem aufweisen, wie beispielsweise beschriebenen im US-Patent 6 237 551 von Macor und anderen, das am 29. Mai 2001 ausgegeben wurde. Bei dieser Art von System ist die Nockenanordnung konfiguriert, um die Motorventile für eine gewisse Zeitperiode offen zu halten, und ein Hilfsventil ist mit eingeschlossen, um selektiv die Nockenanordnung außer Eingriff zu bringen. Dies gestattet, dass die Motorventile früher geschlossen werden als durch die Zeitsteuerung der Nockenanordnung vorgesehen, und dies verbessert die Steuerung der Ventilbetätigungszeitsteuerung.
Die verbesserte Steuerung, die von einem variablen Ventilbetätigungssystem vorgesehen wird, kann Gewinne bei der Brennstoffausnutzung gestatten. Das variablen Ventilbetätigungssystem kann betrieben werden, um selektiv eine Variation des typischen Diesel- oder Otto-Zyklus während des Betriebs des Motors einzurichten. Beispielsweise können die Einlassventile gesteuert werden, um einen Miller-Zyklus mit "spätem Einlass" einzurichten. Bei einem Miller-Zyklus mit spätem Einlass werden die Einlassventile für den Einlasshub geöffnet und für einen Teil des Kompressionshubes des Kolbens offen gehalten.
Zusätzlich können die Abgase gesteuert werden, um einen Motorbremszyklus einzurichten. In einem Motorbremszyklus werden die Auslassventile geöffnet, wenn der Kolbens sich einer oberen Totpunktposition des Kompressionshubes nähert, um die Luft abzulassen, die während des Kompressionshubes komprimiert wurde. Durch ablassen der komprimierten Luft an Stelle der Einleitung einer Verbrennung wird der Motor als ein Luftkompressor betrieben und nicht als ein Leistungsgenerator. In dieser Weise kann der Motor betrieben werden, um die kinetische Energie eines sich bewegenden Fahrzeugs abzuleiten, um dabei zu helfen, das Fahrzeug zu verlangsamen.
Wenn jedoch ein Turbolader unter Druck gesetzte Luft zu dem Verbrennungsmotor liefert, kann eine Variation der nockengetriebenen Ventilbetätigungszeitsteuerung übermäßig große Kompressionsverhältnisse bzw. Verdichtungsverhältnisse in den Brennkammern zur Folge haben. Wenn das maximale Verdichtungsverhältnis in den Brennkammern dauernd ein gewisses Niveau überschreitet, können die hohen Verdichtungsverhältnisse irgend eine von verschiedenen Motorkomponenten beschädigen. Beispielsweise können die hohen Verdichtungsverhältnisse die Ventilbetätigungsanordnung und/oder die Motorbremsenkomponenten beschädigen. Zusätzlich können die hohen Verdichtungsverhältnisse die Motordichtungen beschädigen. Diese Art von Schaden kann eine teure und zeitaufwändige Instandhaltung bei der Reparatur zur Folge haben.
Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung lösen eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß eines Aspektes ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilbetätigungssystems für einen Motor gerichtet. Eine Einlassnockenanordnung wird betrieben, um ein Einlassventil zwischen einer ersten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder blockiert, und einer zweiten Position zu bewegen, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder gestattet. Die Auslassnockenanordnung wird betrieben, um ein Auslassventil zwischen einer ersten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss blockiert, und einer zweiten Position zu bewegen, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss gestattet. Eine Motorbremse wird betrieben, um selektiv das Auslassventil aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn ein Kolben auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist. Mindestens ein Betriebsparameter des Motors wird abgefühlt. Eine erwünschte Einlassventilbetätigungsperiode wird basierend auf dem mindestens einen Betriebsparameter bestimmt. Eine Ventilbetätigungsvorrichtung ist in Eingriff mit dem Einlassventil, um zu verhindern, dass das Einlassventil zu der ersten Position ansprechend auf dem Betrieb der Einlassnockenanordnung zurückkehrt. Die Ventilbetätigungsvorrichtung wird gelöst, um zu gestatten, dass das Einlassventil in die erste Position am Ende der bestimmten Ventilbetätigungsperiode zurückkehrt.
Gemäß eines weiteren Aspektes ist die vorliegende Erfindung auf ein Einlassventilbetätigungssystem für einen Motor gerichtet, welches ein Einlassventil aufweist, welches bewegbar ist zwischen einer ersten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss verhindert, und einer zweiten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss zulässt. Eine Einlassnockenanordnung ist mit dem Einlassventil verbunden, um das Einlassventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen. Ein Auslassventil ist bewegbar zwischen einer ersten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss verhindert, und einer zweiten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss zulässt. Eine Auslassnocken anordnung ist mit dem Auslassventil verbunden, um das Auslassventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen. Eine Bremsenbetätigungsvorrichtung ist selektiv betreibar, um mit dem Auslassventil in Eingriff zu kommen, um das Auslassventil aus der ersten Position in die zweite Position zu bewegen. Eine Ventilbetätigungsvorrichtung ist selektiv betreibar, um mit dem Einlassventil in Eingriff zu kommen und zu verhindern, dass das Einlassventil in die erste Position zurückkehrt. Ein Sensor ist betreibar, um einen Betriebsparameter des Motors abzufühlen. Eine Steuervorrichtung ist betreibar, um eine Ventilbetätigungsperiode basierend auf dem abgefühlten Betriebsparameter des Motors zu bestimmen, und die Ventilbetätigungsvorrichtung zu betätigen, um zu verhindern, dass das Einlassventil zur ersten Position für die bestimmte Ventilbetätigungsperiode zurückkehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige und schematische Darstellung eines Motorsystems gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht eines Verbrennungsmotors gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3a ist eine diagrammartige Querschnittsansicht eines Zylinders und einer Einlassventilbetätigungsanordnung gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3b ist eine diagrammartige Querschnittsansicht eines Zylinders und einer Auslassventilbetätigungsanordnung gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Strömungsmittelversorgungssystemsfür eine hydraulische Betätigungsvorrichtung für ein Motorventil gemäß eines bei spielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine grafische Darstellung einer beispielhaften Einlassventilbetätigung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung eines variablen Ventilbetätigungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Motorsystems 10 ist in 1 veranschaulicht. Das Motorsystem 10 weist einen Einlassluftdurchlassweg 13 auf, der zu einem Motor 20 führt. Der Fachmann wird erkennen, dass das Motorsystem 10 verschiedene Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise einen oder mehrere Turbolader 12 und einen Nachkühler 14. Ein Auslassluftdurchlassweg 15 kann vom Motor 20 zum Turbolader 12 führen.
Der Motor 20 kann ein Verbrennungsmotors sein, wie in 2 veranschaulicht. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der Motor 20 als ein Vier-Takt-Diesel-Motor abgebildet und beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Motor 20 irgendeine andere Bauart eines Verbrennungsmotors sein könnte, wie beispielsweise ein Benzin- oder Erdgas-Motor.
Wie in 2 veranschaulicht, weist der Motor 20 einen Motorblock 28 auf, der eine Vielzahl von Zylindern 22 definiert. Ein Kolben 24 ist angeordnet zur verschiebbaren Bewegung zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition innerhalb jedes Zylinders 22. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Motor 20 sechs Zylinder 22 und sechs assoziierte Kolben 24 auf. Der Fachmann wird erkennen, dass der Motor 20 eine größere oder eine geringere Anzahl von Kolben 24 aufweisen kann, und dass die Kolben 24 in einer "Reihenkonfiguration", in einer "V-Konfiguration" oder in irgendeiner anderen herkömmlichen Konfiguration angeordnet sein können.
Wie ebenfalls in 2 gezeigt, weist der Motor 20 eine Kurbelwelle 27 auf, die drehbar innerhalb des Motorblocks 28 angeordnet ist. Eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 26 verbindet jeden Kolben 24 mit der Kurbelwelle 27. Jeder Kolben 24 ist mit der Kurbelwelle 27 so gekoppelt, dass eine gleitende Bewegung des Kolbens 24 innerhalb des jeweiligen Zylinders 22 eine Drehung der Kurbelwelle 27 zur Folge hat. In ähnlicher Weise wird die Drehung der Kurbelwelle 27 eine gleitende Bewegung des Kolbens 24 zur Folge haben.
Der Motor 20 weist auch einen Zylinderkopf 30 auf. Der Zylinderkopf 30 definiert einen Einlassdurchlassweg 41, der zu mindestens einem Einlassanschluss 36 für jeden Zylinder 22 führt. Der Zylinderkopf 30 kann weiter zwei oder mehr Einlassanschluss 36 für jeden Zylinder 22 definieren.
Ein Einlassventil 32 ist in jedem Einlassanschluss 36 angeordnet. Das Einlassventil 32 weist ein Ventilelement 40 auf, welches konfiguriert ist, um selektiv den Einlassanschluss 36 zu blockieren. Wie genauer unten beschrieben, kann jedes Einlassventil 32 betätigt werden, um das Ventilelement 40 anzuheben, um dadurch den jeweiligen Einlassanschluss 36 zu öffnen. Die Einlassventile 32 für jeden Zylinder 22 können gemeinsam oder unabhängig betätigt werden.
Der Zylinderkopf 30 definiert auch mindestens einen Auslassanschluss 38 für jeden Zylinder 22. Jeder Auslassanschluss 38 führt von dem jeweiligen Zylinder 22 zu einem Auslassdurchlassweg 43. Der Zylinderkopf 30 kann weiter zwei oder mehr Auslassanschlüsse 38 für jeden Zylinder 22 definieren.
Ein Auslassventil 34 ist innerhalb jedes Auslassanschlusses 38 angeordnet. Das Auslassventil 34 weist ein Ventilelement 48 auf, welches konfiguriert ist, um selektiv den Auslassanschluss 38 zu blockieren. Wie unten genauer beschrieben, kann jedes Auslassventil 34 betätigt werden, um das Ventilele ment 48 anzuheben, um dadurch den jeweiligen Auslassanschluss 38 zu öffnen. Die Auslassventile 34 für jeden Zylinder 22 können gemeinsam oder unabhängig betätigt werden.
Wie in 3a gezeigt, definiert einen Zylinderkopf 30 ein Paar von Einlassanschlüssen 36, die den Einlassdurchlassweg 41 mit dem Zylinder 22 verbinden. Jeder Einlassanschluss 36 weist einen Ventilsitz 50 auf. Ein Einlassventil 32 ist innerhalb jedes Einlassanschlusses 36 angeordnet. Das Ventilelement 40 des Einlassventils 32 ist konfiguriert, um mit dem Ventilsitz 50 in Eingriff zu kommen. Wenn das Einlassventil 32 in einer geschlossenen Position ist, kommt das Ventilelement 40 mit den Ventilsitz 50 in Eingriff, um den Einlassanschluss 36 zu schließen und den Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder 22 zu blockieren. Wenn das Einlassventil 32 aus der geschlossenen Position angehoben wird, gestattet das Einlassventil 32 einen Fluss von Strömungsmittel relativ zum Zylinder 22.
Wie in 3b gezeigt, definiert der Zylinderkopf 30 ein Paar von Auslassanschlüssen 38, die den Zylinder 22 mit dem Auslassdurchlassweg 43 verbinden. Jeder Auslassanschluss 38 weist einen Ventilsitz 50 auf. Ein Auslassventil 34 ist innerhalb jedes Auslassanschlusses 38 angeordnet. Ein Ventilelement 48 von jedem Auslassventil 34 ist konfiguriert, um mit dem Ventilsitz 50 in Eingriff zu kommen. Wenn das Auslassventil 34 in einer geschlossenen Position ist, ist das Ventilelement 48 in Eingriff mit dem Ventilsitz 50, um den Auslassanschluss 38 zu schließen und einen Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder 22 zu blockieren. Wenn das Auslassventil 34 aus der geschlossenen Position angehoben wird, gestattet das Auslassventil 32 den Fluss von Strömungsmittel relativ zum Zylinder 22.
Wie in 2 gezeigt weist der Motor 20 eine Reihe von Ventilbetätigungsanordnungen 44 auf. Eine Ventilbetätigungsanordnung 44 kann betriebsmässig mit jedem Paar von Einlassventilen 32 für jeden Zylinder 22 assoziiert sein. Jede Ventilbetätigungsanordnung 44 ist betreibar, um die assoziierten Einlassventile 32 aus einer ersten oder geschlossenen Position in eine zweite oder offene Position zu bewegen oder "anzuheben".
Der Motor 20 kann auch eine Reihe von Motorbremsenanordnungen 90 aufweisen. Eine Motorbremsenanordnung 90 kann betriebsmässig mit jeweils einem Paar von Auslassventilen 34 für jeden Zylinder 22 assoziiert sein. Jede Motorbremsenanordnung 90 ist betreibar, um die assoziierten Auslassventile 34 aus einer ersten oder geschlossenen Position in eine zweite oder offene Position zu bewegen oder "anzuheben".
In den beispielhaften Ausführungsbeispielen der 3a und 3b ist jedes Paar von Einlassventilen 32 und Auslassventilen 34 mit einer Brücke 54 verbunden. Jede Brücke 54 ist mit dem jeweiligen Ventilelement 40 und 48 durch ein Paar von Ventilschäften 46 verbunden. Eine Feder 56 kann um jeden Ventilschaft 46 herum zwischen dem Zylinderkopf 30 und der Brücke 54 angeordnet sein. Die Feder 56 wirkt dahingehend, dass sie die Ventilelemente 40 und 48 in Eingriff mit dem jeweiligen Ventilsitz 50 vorspannt, um dadurch jeden Einlassanschluss 36 und jeden Auslassanschluss 38 zu schließen.
Wie in 3a gezeigt, kann ein Kipphebel 64 mit der Brücke 54 in Eingriff sein, die die Einlassventile 32 verbindet, und wie in 3b gezeigt, kann ein Kipphebel 65 mit der Brücke 54 in Eingriff sein, die die Auslassventile 43 verbindet. Ein Ende von jedem Kipphebel 64 und 65 ist geeignet, um mit der jeweiligen Brücke 54 in Eingriff zu kommen. Jeder Kipphebel 64 und 65 ist geeignet, um um einen Schwenkpunkt 66 herum zu schwenken, um dadurch die jeweilige Brücke 54 zu bewegen und die assoziierten Ventile anzuheben.
Wie in 3a gezeigt, ist eine Einlassnockenanordnung 52 mit dem Kipphebel 64 verbunden, um die Einlassventile 32 zu betätigen. Eine Druckstange 61 mit einer Nockenfolgevorrichtung 62 ist geeignet, um mit einer Einlassnocke 60 mit einem Nockenansatz in Eingriff zu stehen. Die Einlassnokke 60 ist an einer Nockenwelle 63 montiert.
Wie in 3b gezeigt, ist eine Auslassnockenanordnung 53 mit dem Kipphebel 65 verbunden, um die Auslassventile 34 zu betätigen. Eine Druckstange 61 mit einer Nockenfolgevorrichtung 62 ist geeignet, um mit einer Auslassnocke 59 mit einem Nockenansatz in Eingriff zu kommen. Die Auslassnocke 59 ist auch auf der Nockenwelle 63 montiert.
Eine Drehung der Nockenwelle 63 treibt die Betätigung der Einlassventile 32 und der Auslassventile 34 an. Die Nockenwelle 63 ist mit der Kurbelwelle 27 verbunden, so dass eine Drehung der Kurbelwelle 27 eine entsprechende Drehung der Nockenwelle 63 verursacht. Die Nockenwelle 63 kann mit der Kurbelwelle 27 durch irgendwelche Mittel verbunden sein, die dem Fachmann leicht offensichtlich sind, wie beispielsweise durch eine (nicht gezeigte) Getriebereduktionsanordnung. Wie der Fachmann erkennen wird, wird eine Drehung der Nockenwelle 63 bewirken, dass sowohl die Nockenfolgevorrichtung 62 als auch die assoziierte Druckstange 61 sich periodisch zwischen einer oberen und einer unteren Position hin und her bewegen.
Die Hin- und Herbewegung von jeder Druckstange 61 bewirkt, dass die Kipphebel 64 und 65 sich um den Schwenkpunkt 66 schwenken. Wenn die Druckstangen 61 sich in der Richtung bewegen, die vom Pfeil 58 angezeigt wird, werden die Kipphebel 64 und 65 schwenken und die jeweilige Brücke 54 in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Die Bewegung von jeder Brücke 54 wird bewirken, dass die entsprechenden Einlassventile 32 oder Auslassventile 34 sich anheben, um die Einlassanschlüsse 36 oder die Auslassanschlüsse 38 anzuheben und zu öffnen. Wenn die Nockenwelle 63 sich weiterdreht, werden die Federn 56 auf jede Brücke 54 wirken, um die Einlassventile 32 und die Auslassventile 34 zu der geschlossenen Position zurückzubringen. Der Fachmann wird erkennen, dass sowohl die Einlassnockenanordnung 52 als auch die Auslassnockenanordnung 53 andere Konfigurationen haben können, wie beispielsweise wenn die Nocken 59 und 60 direkt auf die Kipphebel 64 und 65 wirken.
Die Form und Orientierung der Einlassnocke 60 werden die Zeitsteuerung der Betätigung der Einlassventile 32 steuern, und die Form und Orientierung der Auslassnocke 59 werden die Zeitsteuerung der Auslassventile 34 steuern. Wie der Fachmann erkennen wird, können die Einlass- und Auslassnocken 60 und 59 konfiguriert sein, um die Ventilbetätigung mit der Bewegung des Kolbens 24 zu koordinieren. Beispielsweise können die Einlassventile 32 betätigt werden, um die Einlassanschlüsse 36 zu öffnen, wenn der Kolben 24 sich von einer oberen Totpunktposition zu einer unteren Totpunktposition in einem Einlasshub bewegt, um zu gestatten, dass Luft vom Einlassdurchlassweg 41 in den Zylinder 22 fließt. Die Auslassventile 34 können betätigt werden, um die Auslassanschlüsse 38 zu öffnen, wenn der Kolben 24 sich von einer unteren Totpunktposition zu einer oberen Totpunktposition in einem Auslasshub bewegt, um zu gestatten, das Abgase vom Zylinder 22 zum Auslassdurchlassweg 43 fließen.
Wie in 3b gezeigt, kann die Motorbremsenanordnung 90 geeignet sein, um mit dem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff zu kommen, der die Auslassventile 38 verbindet. Die Motorbremsenanordnung 90 weist einen Kolben 98 auf, der in einem Gehäuse 94 angeordnet ist, um eine Kammer 95 zu definieren. Eine Druckstange 92 ist mit dem Kolben 98 verbunden und ist geeignet, um sich mit dem Kolben 98 zu bewegen. Eine Feder 96 kann zwischen dem Gehäuse 94 und dem Kolben 98 angeordnet sein. Die Feder 96 wirkt auf dem Kolben 98, um die Druckstange 92 weg vom Ende 68 des Kipphebels 64 zu drücken. Es sei bemerkt, dass die Motorbremsenanordnung 90 irgend eine Konfigurationen haben kann, die dem Fachmann leicht offensichtlich ist.
Eine Strömungsmittelleitung 91 sieht einen Strömungsmitteldurchlassweg zur Kammer 95 vor. Die Einleitung von unter Druck gesetztem Strömungsmittel in die Kammer 95 bewegt den Kolben 98 und die Druckstange 92 zum Ende 68 des Kipphebels 64. Die Druckstange 92 kommt mit dem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff, um den Kipphebel 64 zu schwenken und dadurch die Auslassventile 38 von den Ventilsitzen 50 abzuheben. Die Motorbremsenanordnung 90 kann verwendet werden, um die Auslassventil 38 zu öffnen, wenn der Kolben 24 auf oder nahe der oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist.
Die Einleitung von unter Druck gesetztem Strömungsmittel in die Kammer 95 kann in irgendeiner Weise gesteuert werden, die dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Beispielsweise kann der Kolben 98 mit einem (nicht gezeigten) Hauptkolben durch die Strömungsmittelleitung 91 verbunden sein. Ein Ventil 93 kann mit der Strömungsmittelleitung 91 verbunden sein. Wenn das Ventil 93 geschlossen ist, wird eine hydraulische Verriegelung zwischen dem Hauptkolben und dem Kolben 98 erzeugt. Somit wird eine Bewegung des Hauptkolbens eine entsprechende Bewegung des Kolbens 98 verursachen. Der Hauptkolben kann durch eine Nocke angetrieben werden, wie beispielsweise durch eine Brennstoffeinspritznocke. Der Fachmann wird erkennen, dass andere Verfahren zum Antrieb des Hauptkolbens auch verwendet werden könnten.
Wie in 3a gezeigt, weist die Ventilbetätigungsanordnung 44 auch eine Ventilbetätigungsvorrichtung 70 auf. In dem veranschaulichten beispielhaften Ausführungsbeispiel wird die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 hydraulisch betätigt. Es sei bemerkt, dass die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 durch andere Arten von Systemen betätigt werden kann, wie beispielsweise durch Elektromagneten oder hydraulische Systeme.
In dem veranschaulichten beispielhaften Ausführungsbeispiel weist die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 einen Betätigungsvorrichtungszylinder 72 auf, der eine Betätigungsvorrichtungskammer 76 definiert. Ein Betätigungsvorrichtungskolben 74 ist verschiebbar in dem Betätigungsvorrichtungszylinder 72 angeordnet und ist mit einer Betätigungsvorrichtungsstange 78 verbunden. Eine (nicht gezeigte) Rückstellfeder kann auf den Betätigungsvorrichtungskolben 74 wirken, um den Betätigungsvorrichtungskolben 74 in eine Anfangsposition zurückzubringen. Die Betätigungsvorrichtungsstange 78 ist mit einem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff zu bringen.
Eine Strömungsmittelleitung 80 ist mit der Betätigungsvorrichtungskammer 76 verbunden. Unter Druck gesetztes Strömungsmittel kann durch die Strömungsmittelleitung 80 in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 geleitet werden, um den Betätigungsvorrichtungskolben 74 innerhalb des Betätigungsvorrichtungszylinders 72 zu bewegen. Die Bewegung des Betätigungsvorrichtungskolben 74 bewirkt, dass die Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff kommt.
Strömungsmittel kann in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 eingeleitet werden, wenn die Einlassventile 32 in der offenen Position sind, um die Betätigungsvorrichtungsstange 78 in Eingriff mit dem Kipphebel 64 zu bewegen, um dadurch die Einlassventile 32 in der offenen Position zu halten. Alternativ kann Strömungsmittel in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 eingeleitet werden, wenn die Einlassventile 32 in der geschlossenen Position sind, um die Betätigungsvorrichtungsstange 78 in Eingriff mit dem Kipphebel 64 zu bewegen, und den Kipphebel 64 um den Schwenkpunkt 66 zu schwenken, um dadurch die Einlassventile 32 zu öffnen.
Wie in den 2 und 4 veranschaulicht, ist eine Quelle für hydraulisches Strömungsmittel 84 vorgesehen, um Strömungsmittel von einem Tank 87 zu ziehen, und unter Druck gesetztes Strömungsmittel zur Ventilbetätigungsvorrichtung 70 zu leiten. Die Quelle für hydraulisches Strömungsmittel 84 kann ein Teil eines Schmiersystems sein, welches typischerweise einen Verbrennungsmotor begleitet. Ein solches Schmiersystem kann unter Druck gesetztes Strömungsmittel mit einem Druck von beispielsweise weniger als 700 kPa (100 psi) oder insbesondere zwischen ungefähr 210 kPa und 620 kPa (30 psi und 90psi) liefern. Alternativ kann die Quelle für hydraulisches Strömungsmittel eine Pumpe sein, die konfiguriert ist, um Strömungsmittel mit einem höheren Druck zu liefern, beispielsweise zwischen ungefähr 10 MPa und 35 MPa (1450 psi und 5000 psi).
Ein Strömungsmittelversorgungssystem 79 verbindet die Quelle 84 für hydraulisches Strömungsmittel mit der Ventilbetätigungsvorrichtung 70. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 4 ist eine Quelle 84 für hydraulisches Strömungsmittel mit einer Strömungsmittel-Rail 86 durch die Strömungsmittelleitung 85 verbunden. Ein Steuerventil 82 ist in der Strömungsmittelleitung 85 angeordnet. Das Steuerventil 82 kann geöffnet werden, um zu gestatten, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle 84 für hydraulisches Strömungsmittel zur Strömungsmittel-Rail 86 fließt. Das Steuerventil 82 kann geschlossen sein, um zu verhindern, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle für hydraulisches Strömungsmittel 84 zur Strömungsmittel-Rail 86 fließt.
Wie in 4 veranschaulicht, liefert die Strömungsmittel-Rail 86 unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle für hydraulisches Strömungsmittel 84 zu einer Reihe von Ventilbetätigungsvorrichtungen 70. Jede Ventilbetätigungsvorrichtung 70 kann mit einem Paar von Einlassventilen 32 für einen speziellen Motorzylinder 22 assoziiert sein (siehe 1). Die Strömungsmittelleitungen 80 leiten unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Strömungsmittel-Rail 86 in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 von jeder Ventilbetätigungsvorrichtung 70.
Ein Richtungssteuerventil 88 kann in jeder Strömungsmittelleitung 80 angeordnet sein. Jedes Richtungssteuerventil 88 kann geöffnet werden, um zu gestatten, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel zwischen der Strömungsmittel-Rail 86 und der Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Jedes Richtungssteuerventil 88 kann geschlossen werden, um zu verhindern, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel zwischen der Strömungsmittel-Rail 86 und der Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Das Richtungssteuerventil 88 kann normalerweise zu einer geschlossenen Position vorgespannt sein und kann betätigt werden, um zu gestatten, dass Strömungsmittel durch das Richtungssteuerventil 88 fließt. Alternativ kann das Richtungssteuerventil 88 normalerweise in eine offene Position vorgespannt sein, und kann betätigt werden, um zu verhindern, dass Strömungsmittel durch das Richtungssteuerventil 88 fließt. Der Fachmann wird erkennen, dass das Richtungssteuerventil 88 irgend eine Bauart eines steuerbaren Ventils sein kann, wie beispielsweise ein Verriegelungsventil mit zwei Spulen.
Der Fachmann wird auch erkennen, dass das Strömungsmittelversorgungssystem 79 eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen haben kann, und eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten aufweisen kann. Beispielsweise kann das Strömungsmittelversorgungssystem 79 ein Rückschlagventil aufweisen, welches parallel zu dem Richtungssteuerventil 88 zwischen dem Steuerventil 82 und der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 70 angeordnet ist. Zusätzlich kann das Strömungsmittelversorgungssystem 79 eine Quelle für Hochdruck-Strömungsmittel aufweisen. Das Strömungsmittelversorgungssystem 79 kann auch ein Drosselventil aufweisen, um die Rate des Strömungsmittelflusses von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 70 und einem Dämpfungssystem zu steuern, welches einen Akkumulator und eine eingeschränkte Zumessöffnung aufweisen kann, Umdruck Oszillationen in der Betätigungsvorrichtungskammer 76 und der Strömungsmittelleitung 80 zu verhindern.
Wie in 2 gezeigt, ist eine Steuervorrichtung 100 mit jeder Motorbremsenanordnung 90, mit jeder Ventilbetätigungsanordnung 44 und mit dem Steuerventil 82 verbunden. Die Steuervorrichtung 100 kann ein elektronisches Steuermodul aufweisen, welches einen Mikroprozessor und einen Speicher 101 hat. Wie es dem Fachmann bekannt ist, ist der Speicher mit dem Mikroprozessor verbunden und speichert einen Anweisungssatz und Variable. Mit dem Mikroprozessor und einem Teil des elektronischen Steuermoduls sind verschiedene andere bekannte Schaltungen verbunden, wie beispielsweise unter anderem eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung und eine Elektromagnettreiberschaltung.
Die Steuervorrichtung 100 kann programmiert sein, um einen oder mehrere Aspekte des Betriebs des Motors 20 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 100 programmiert sein, um die Motorbremsenanordnung 90, die Ventilbetätigungsanordnung 44, dass Brennstoffeinspritzsystem und irgend eine andere Motorfunktion zu steuern, die gewöhnlicherweise durch ein elektronisches Steuermodul gesteuert wird. Die Steuervorrichtung 100 kann den Motor 20 basierend auf den gegenwärtigen Betriebszuständen des Motors und/oder basierend auf Anweisungen steuern, die von einem Bediener erhalten wurden.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Motorbremsenanordnung 90 steuern, in dem sie ein Signal an das Ventil 93 überträgt (siehe 3b). Das Signal kann beispielsweise ein Strom sein, der bewirkt, dass das Ventil 93 sich schließt, wodurch eine hydraulische Verriegelung zwischen dem Kolben 98 und dem (nicht gezeigten) Hauptkolben gebildet wird, um einen Motorbremsbetriebszustand zu aktivieren. In dem Motorbremsbetriebszustand kann die Motorbremsenanordnung 90 die Auslassventile 34 jedesmal dann öffnen, wenn der Kolben 24 auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist. Die Steuervorrichtung 100 kann den Motorbremsbetriebszustand außer Kraft setzen, in dem sie das Ventil 93 öffnet, um dadurch die hydraulische Verriegelung zwischen dem Kolben 98 und dem (nicht gezeigten) Hauptkolben zu unterbrechen.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Ventilbetätigungsanordnung 44 steuern, in dem sie ein Signal, wie beispielsweise einen Strom, zu dem Richtungssteuerventil 88 überträgt. Das übertragene Signal kann ein Selektives öffnen und/oder schließen des Richtungssteuerventils 88 zur Folge haben. Wenn das Richtungssteuerventil 88 ein normalerweise geschlossenes Ventil ist, kann das übertragene Signal bewirken, dass das Richtungssteuerventil 88 sich für eine gewisse Zeitperiode öffnet. Wenn das Richtungssteuerventil 88 ein normalerweise offenes Ventil ist, kann das übertragene Signal bewirken, dass das Richtungssteuerventil für eine gewisse Zeitperiode schließt. Durch Steuerung des Öffnens und Schliessens des Richtungssteuerventils 88 kann die Steuervorrichtung 100 den Strömungsmittelfluss zu und von der Ventilbetätigungsvorrichtung 70 steuern, und dadurch den Eingriff der Betätigungsvorrichtungsstange 88 mit dem Kipphebel 64 steuern, um den Verschluss des Einlassventils 32 für eine vorbestimmte Periode zu verzögern. Eine beispielhafte Einlassventilbetätigung 104 ist in 5 veranschaulicht.
Wie in den 1–4 veranschaulicht, kann das Motor System 10 eine Reihe von Sensoren aufweisen, die genauer unten beschrieben werden. Jeder Sensor ist konfiguriert, um einen speziellen Betriebsparameter des Motors 20 zu überwachen. Der Fachmann kann erkennen, dass alternative Sensoren mit dem Motorsystem 10 verwendet werden können, um andere Betriebsparameter des Motors 20 zu überwachen.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Einlasssensor 16 in dem Einlassdurchlassweg 13 angeordnet sein. Der Einlasssensor 16 kann konfiguriert sein, um beispielsweise den Druck der Einlassluft, die Temperatur der Einlassluft und/oder die Massenflussrate der Einlassluft abzufühlen. Der Einlasssensor 16 kann irgend eine Bauart eines Sensors sein, von der dem Fachmann bekannt ist, dass sie diese Arten von Parametern abfühlen kann, und kann an irgend einem Punkt entlang des Einlassdurchlassweges 13 angeordnet sein.
Wie ebenfalls in 1 gezeigt, ist mindestens ein Motorsensor 18 betriebsmässig mit dem Motor 20 verbunden. Der Motorsensor 18 kann irgend eine Art eines Sensors sein, die gewöhnlicherweise verwendet wird, um einen Betriebsparameter des Motors 20 zu überwachen. Beispielsweise kann der Motorsensor 18 konfiguriert sein, um die Last auf dem Motor 20 abzufühlen, weiter die Menge des Brennstoffes, die zum Motor 20 geliefert wird, die Drehzahl des Motors 20, den Druck innerhalb von einem oder mehreren Zylindern 22, den Drehwinkel der Kurbelwelle 27 oder irgend einen anderen üblicherweise abgefühlten Betriebsparameter. Der Motorsensor 18 kann irgend eine Art eines Sensors sein, von der dem Fachmann leicht offensichtlich wird, dass sie diese Arten von Motorbetriebsparametern abfühlen kann.
Der Speicher 101 der Steuervorrichtung 100 kann Informationen speichern, die mit dem Betrieb des Motors 20 in Beziehung stehen, und zwar in Form einer "Karte" (Kennfeld). Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung soll der Ausdruck "Karte" irgend eine elektronische Speicherstruktur aufweisen, um Informationen bezüglich des Betriebs des Motors zu speichern, wie bei spielsweise Datentabellen, Nachschautabellen, Kurvendarstellungen oder irgendein anderes elektronisches Speicherformat, welches dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Diese Karten können optimale Motorbetriebscharakteristiken als eine Funktion der Motorbetriebsparameter definieren. Beispielsweise kann der Speicher 101 eine Karte bzw. ein Kennfeld speichern, welches eine optimale Ventilbetätigungsperiode für eine spezielle Motordrehzahl und Motorbelastung definiert. In ähnlicher Weise kann der Speicher 101 eine Karte speichern, die eine optimale Brennstofflieferungsrate für eine spezielle Motordrehzahl und Motorbelastung definiert. Der Speicher 101 kann auch eine Karte speichern, die ein optimales Luft-Brennstoff-Verhältnis für eine spezielle Motordrehzahl und Motorbelastung definiert.
Der Speicher 101 kann weiter eine Bremsenkarte speichern, die die optimale Ventilbetätigungsperiode für die Einlassventile definiert, wenn der Motor in einem Motorbremsbetriebszustand arbeitet. Die Bremsenkarte kann eine optimale Ventilbetätigungsperiode für eine spezielle Motordrehzahl und einen speziellen Einlassluftdruck definieren. Wie später unten genauer beschrieben kann diese Karte die optimale Ventilbetätigungsperiode vorsehen, um die größten Vorteile aus der Motorabbremsung zu erhalten.
Der Speicher 101 kann unterschiedliche Versionen oder Variationen von jeder dieser Karten speichern. Beispielsweise kann der Speicher 101 eine Ventilbetätigungsperiodenkarte speichern, die optimale Betriebscharakteristiken für einen stetigen Motorbetrieb vorsieht. Der Speicher 101 kann eine zweite Ventilbetätigungsperiode in Karte speichern, die optimale Betriebscharakteristiken für Übergangszustände liefert, wenn sich die Motorbelastung und/oder die Motordrehzahl verändern. Der Fachmann kann erkennen, dass der Speicher 101 zusätzliche Karten oder andere Variationen speichern kann, die andere Motorbetriebscharakteristiken definieren, und zwar basierend auf diesen oder anderen Betriebsparametern.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Informationen verwenden, die von den Sensoren geliefert werden, um auf die Karten zuzugreifen, die in dem. Spei cher 101 gespeichert sind, um eine optimale Einlassventilbetätigungsperiode für die gegenwärtigen Motorbetriebsbedingungen festzulegen. Das Flussdiagramm der 6 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Bestimmung einer optimalen Einlassventilbetätigungsperiode.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Steuervorrichtung 100 kann geeignet sein, die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 zu betreiben, um einen Miller-Zyklus mit spätem Einlass im Motor 20 einzurichten. Wenn er in dem Miller-Zyklus mit spätem Einlass arbeitet, betätigt die Steuervorrichtung 100 die Ventilbetätigungsvorrichtung 70, um den Verschluss des Einlassventils 32 gegenüber einem herkömmlichen Verschluss zu verzögern, wenn der Verschluss im wesentlichen mit dem Ende eines Einlasshubes zusammenfällt, und zwar zu einem verzögerten Verschluss, wo das Einlassventil 32 für einen vorbestimmten Teil eines Kompressionshubes offen gehalten wird. Die Dauer der Einlassventilbetätigungsperiode kann basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Motors 20 bestimmt werden.
Wie oben beschrieben steuert die Einlassnockenanordnung 52 den anfänglichen Betätigungszeitpunkt der Einlassventile 32, und die Auslassnockenanordnung 53 steuert den Betätigungszeitpunkt der Auslassventile 34. Die Form der Einlassnocke 60 kann bewirken, dass die Einlassventile 32 sich von den Ventilsitzen 50 abheben, wenn der Kolben 24 sich von einer oberen Totpunktposition zu einer unteren Totpunktposition in einem Einlasshub bewegt. Die Form der Auslassnocke 59 kann bewirken, dass die Auslassventile 32 sich von den Ventilsitzen 50 abheben, wenn der Kolben 24 sich von einer unteren Totpunktposition zu einer oberen Totpunktposition in einem Auslasshub bewegt.
Die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 kann verwendet werden, um den Verschluss der Einlassventile 32 zu verzögern. Wenn die Einlassnocke 60 und die Druckstange 61 beginnen, dem Kipphebel 64 zu schwenken, stellt die Steuervorrichtung 100 sicher, dass das Steuerventil 82 und das Richtungssteuerventil 88 in einer offenen Position sind. Dies gestattet, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle für hydraulische Strömungsmittel 84 durch die Strömungsmittel-Rail 86 und in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Die Kraft des Strömungsmittels, welches in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 eintritt, bewegt den Betätigungsvorrichtungskolben 74, so dass die Betätigungsvorrichtungsstange 78 dem Ende 68 des Kipphebels 64 folgt, wenn der Kipphebel 64 sich schwenkt, um die Einlassventile 32 zu öffnen. Die Distanz und die Rate der Bewegung der Betätigungsvorrichtungsstange 78 wird von der Konfiguration der Betätigungsvorrichtungskammer 76 und des Strömungsmittelversorgungssystem 79 abhängen. Das Strömungsmittelversorgungssystems 79 kann konfiguriert sein, um einen ausreichenden Strömungsmittelfluss zu der Betätigungsvorrichtungskammer 76 zu liefern, um sicherzustellen, dass die Betätigungsvorrichtungskammer 76 mit Strömungsmittel gefüllt ist, bevor die Nocke 60 das Einlassventil 32 zu der geschlossenen Position zurückbringt.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 betätigen, in dem sie das Richtungssteuerventil 88 schließt. Dies verhindert, das Strömungsmittel von der Betätigungsvorrichtungskammer 76 entweicht. Wenn die Nocke 60 sich weiterdreht und die Federn 56 die Einlassventile 32 zu der geschlossenen Position hin drücken, wird die Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Ende 68 des Kipphebels in Eingriff kommen und verhindern, dass die Einlassventile 32 sich schließen. Solange das Richtungssteuerventil 88 in der geschlossenen Position bleibt, wird das eingeschlossene Strömungsmittel in der Betätigungsvorrichtungskammer 76 verhindern, dass die Federn 56 die Einlassventile 32 in die geschlossene Position zurückbringen. Somit wird die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 die Einlassventile 32 in der offenen Position halten, und zwar unabhängig von der Wirkung der Nockenanordnung 52.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 außer Eingriff bringen, um zu gestatten, dass die Einlassventile 32 sich durch Öff nen des Richtungssteuerventils 88 schließen. Dies gestattet, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Die Kraft der Federn 56 drückt das Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76, wodurch gestattet wird, dass der Kolben 74 sich innerhalb des Betätigungsvorrichtungszylinders 72 bewegt. Dies gestattet, dass der Kipphebel 64 schwenkt, so dass die Einlassventile 32 in die geschlossene Position bewegt werden.
Wie in 5 veranschaulicht, kann der Betrieb der Ventilbetätigungsvorrichtung 70 die Einlassventilbetätigung 104 ausgehend von einem herkömmlichen Verschluss 110 zu einem verzögerten Verschluss 108 ausweiten. Die Periode oder Dauer der verlängerten Einlassventilbetätigung kann bezüglich des Drehwinkels der Kurbelwelle 27 gemessen werden, als eine Funktion der Zeit oder in irgendeiner anderen Weise, die dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Wenn man einen Miller-Zyklus mit spätem Einlass einrichtet, kann die verlängerte Einlassventilbetätigungsperiode zwischen ungefähr 0° und 120° der Kurbelwellendrehung sein.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Einlassventilbetätigungsperiode basierend auf den Betriebsbedingungen variieren, die der Motor 20 erfährt. Wenn beispielsweise der Motor 20 in einem stetigen Betriebszustand arbeitet und eine leichte Last erfährt, kann die optimale Dauer der Ventilbetätigungsperiode kürzer sein, als wenn der Motor 20 in einem stetigen Zustand arbeitet und eine gesteigerte Last erfährt, wie beispielsweise bei einer Beschleunigung mit schwerer Belastung. Wenn der Motor 20 in einem stetigen Zustand arbeitet, kann die optimale Dauer der Ventilbetätigungsperiode ansteigen, wenn die Belastung des Motors ansteigt.
Die Länge der Einlassventilbetätigungsperiode kann die Größe des Kompressionsverhältnisses innerhalb des Zylinders 22 beeinflussen. Das schließen der Einlassventile 32 wird den Zylinder 22 abdichten, um zu verhindern, dass Gase in den Zylinder 22 eintreten oder aus diesem austreten. Eine maximale Gasmenge kann in dem Zylinder 22 abgedichtet werden, wenn der Verschluss der Einlassventile 32 damit zusammenfällt, dass der Kolben 24 auf oder nahe einer unteren Totpunktposition am Ende eines Einlasshubes ist. Entsprechend kann das herkömmliche Schließen der Einlassventile 32 ein größeres Kompressionsverhältnis innerhalb des Zylinders 22 zur Folge haben, als ein verzögerter Verschluss, wenn die Einlassventile 32 geschlossen wurden, nachdem der Kolben 24 einen Teil eines Kompressionshubes vollendet hat.
In einem beispielhaften Verfahren kann die Steuervorrichtung 100 die Ventilbetätigungsperiode bestimmen, in dem sie die gegenwärtige Motordrehzahl und Motorbelastung abführt und auf eine Karte zugreift, die im Speicher 101 gespeichert ist. Die Karte kann die erwünschte Ventilbetätigungsperiode für eine Reihe von unterschiedlichen Motordrehzahlen und Motorbelastungen darlegen. Basierend auf den Informationen, die in dieser Karte vorgesehen werden, kann die Steuervorrichtung 100 die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 steuern, um die erwünschte Ventilbetätigungsperiode zu erhalten.
Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der Einlassventilbetätigungsperiode ist im Flussdiagramm der 6 veranschaulicht. Einer oder mehrere Betriebsparameter des Motors 20 werden abgefühlt. (Schritt 120). Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 100 eine Anzeige der Motordrehzahl und der Motorbelastung aus dem Motorsensor (den Motorsensoren) 18 und einer Anzeige des Einlassluftdruckes und/oder der Einlasslufttemperatur von dem Einlasssensor 16 aufnehmen.
Basierend auf dem Betriebsparameter (den Betriebsparametern) des Motors 20 bestimmt die Steuervorrichtung 100, ob der Motor 20 in einem stetigen Zustand arbeitet. (Schritt 122). Die Steuervorrichtung 100 kann diese Bestimmung basierend auf einem Vergleich zwischen den gegenwärtigen Werten der aufgefühlten Betriebsparameter und den früheren Werten der Betriebsparameter vornehmen. Beispielsweise kann eine relativ konstante Motordrehzahl und/oder eine konstante Motorbelastung anzeigen, dass der Motor 20 in normalen stetigen Zuständen arbeitet. Der Fachmann wird er kennen, dass verschiedene Parameter und Analysen verwendet werden können, um diese Bestimmung auszuführen.
Wenn der Motor 20 nicht in einem stetigen Zustand arbeitet, kann die Steuervorrichtung 100 bestimmen, ob der Motor 20 in einem transienten Zustand oder in einem anderen Zustand arbeitet, beispielsweise in einem Motorbremsbetriebszustand (Schritt 144). Die Steuervorrichtung 100 nimmt diese Bestimmung basierend auf den abgefühlten Betriebsparametern vor. Beispielsweise können eine Steigerung der Motordrehzahl oder der Motorbelastung anzeigen, dass der Motor 20 einem transienten Zustand erfährt. Eine Verringerung der Motorbelastung oder der angeforderten Brennstoffversorgung zum Motor und/oder ein Signal vom Bediener, wie beispielsweise das Herunterdrücken eines Bremspedals, können anzeigen, dass der Motor in einem Motorbremsbetriebszustand arbeitet. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Parameter und Analysen ebenfalls verwendet werden können, um diese Bestimmung auszuführen.
Die Steuervorrichtung 100 kann das erwünschte Luft-Brennstoff-Verhältnis und die erwünschte Brennstoffrate für die gegenwärtigen Betriebsbedingungen bestimmen. Wenn der Motor 20 in einem stetigen Zustand arbeitet, kann die Steuervorrichtung 100 auf Karten zugreifen, die ein optimales Luft-Brennstoff-Verhältnis und eine optimale Brennstoffrate für die gegenwärtigen stetigen Zustände definieren (Schritte 124 und 126). Wenn alternativ der Motor 20 in einem transienten Zustand bzw. Übergangszustand arbeitet, kann die Steuervorrichtung 100 auf Karten zugreifen, die das optimale Luft-Brennstoff-Verhältnis und eine optimale Brennstoffrate für die gegenwärtigen transienten Betriebszustände definieren. Wenn der Motor 20 in einem Motorbremsbetriebszustand arbeitet, kann die Steuervorrichtung 100 das Brennstoffeinspritzsystem ausschalten oder in anderer Weise die Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder 22 verhindern.
Wenn der Motor 20 in einem Betriebszustand mit positiver Leistung arbeitet, das heißt in einem stetigen Zustand oder in einem transienten Zustand, kann die Steuervorrichtung 100 dann bestimmen, ob es Grenzen für die Ventilbetätigungsperiode gibt. (Schritt 132). Die Ventilbetätigungsperiode kann begrenzt sein, um die Menge der Emissionen zu steuern, die vom Motor 20 erzeugt werden und/oder um einen Schaden am Motor 20 zu verhindern. Eine beträchtliche Verringerung der Ventilbetätigungsperiode kann eine Steigerung des Kompressionsverhältnisses und des maximalen Druckes innerhalb jedes Zylinders 22 zur Folge haben. Die Steigerung des Druckes in jedem Zylinder 22 kann den Motor 20 beschädigen.
Irgendwelche solche Einschränkungen der Ventilbetätigungsperiode können in einer Karte im Speicher 101 gespeichert werden. Die Karte kann auf den Motorbetriebsparametern basieren, wie beispielsweise auf der Motordrehzahl und der Motorbelastung, oder auf irgendwelchen anderen Bedingungen, die dem Fachmann bekannt sind. Die Steuervorrichtung 100 kann auf diese Karte bzw. dieses Kennfeld zugreifen, um die Grenzen der Ventilbetätigungsperiode für die gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Motors 20 zu bestimmen.
Die Steuervorrichtung 100 berechnet auch den erwünschten Luftfluss für die Betriebsbedingungen mit positiver Leistung. (Schritt 134). Der erwünschte Luftfluss kann berechnet werden durch Multiplikation der Brennstoffrate (wie im Schritt 126 oder im Schritt 130 bestimmt) mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis (wie im Schritt 124 oder im Schritt 128 bestimmt).
Die Steuervorrichtung 100 kann dann die Einlassventilbetätigungsperiode für den speziellen Betriebszustand mit positiver Leistung berechnen. (Schritt 136). Die Einlassventilbetätigungsperiode kann als eine Funktion der Motordrehzahl (ES), des Einlassluftdruckes (IP) und des erwünschten Luftflusses (AF) ausgedrückt werden. Beispielsweise kann die Einlassventilbetätigungsperiode (P) durch die folgende Gleichung bestimmt werden: P = A + B(ES) + C(ES)2 + D(IP) + E(IP)2 + F(AF) + G(AF)2 + H(ES)(IP)(AF)
Wobei A, B, C, D, E, F, G und H Konstanten sind. Beispielsweise könnten die Werte dieser Konstanten wie folgt sein: A = 342,03; B = -0,213; C = 6,27E-5, D = -1,215, E = 0,00141; F = 12,14; G = -0,0558; und H = -5,27E-1.
Die obige Formel wird eine Einlassventilbetätigungsperiode P ergeben, die bezüglich eines Motorkurbelwellenwinkels ausgedrückt wird. Der bestimmte Kurbelwellenwinkel kann den Winkel bestimmen, bei dem der Strom zum Richtungssteuerventil 88 beendet werden sollte, um das Richtungssteuerventil 88 zu öffnen und die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 zu lösen. Alternativ kann der bestimmte Kurbelwellenwinkel den Winkel darstellen, bei dem die Einlassventilbetätigungsvorrichtung 70 zu der geschlossenen Position zurückgebracht werden sollte. Im letzteren Beispiel kann die Steuervorrichtung 100 dann den Kurbelwellenwinkel bestimmen, bei dem der Strom zum Richtungssteuerventil 88 zu beenden ist, und zwar basierend auf einer Konstanten, die die erforderliche Zeit anzeigt, damit sich das Einlassventil 32 schließt, nachdem der Strom zum Richtungssteuerventil 88 beendet worden ist. Der Fachmann kann erkennen, dass unterschiedliche Formeln und/oder Konstanten entwickelt werden können, um unterschiedliche Darstellungen der Ventilbetätigungsperiode darzustellen. Beispielsweise kann die Ventilbetätigungsperiode als eine Drehgröße der Kurbelwelle oder als eine Zeitperiode ausgedrückt werden.
Die Steuervorrichtung 100 kann dann die berechnete Ventilbetätigungsperiode mit irgendwelchen Grenzen bezüglich der Ventilbetätigungsperiode vergleichen (Schritt 138). Wenn die berechnete Ventilbetätigungsperiode irgend welche Einschränkungen überschreiten sollte und den Motor 20 möglichen Beschädigungen unterwerfen sollte, wird die Steuervorrichtung 100 die begrenzte Ventilbetätigungsperiode verwenden, wie im Schritt 132 bestimmt. (Schritt 140). Wenn die berechnete Ventilbetätigungsperiode nicht irgend eine Einschränkung überschreiten würde, wird die Steuervorrichtung 100 die berechnete Ventilbetätigungsperiode verwenden. (Schritt 142).
Wenn der Motor 20 in einem Motorbremsbetriebszustand arbeitet, wo das Ventil 93 geschlossen ist, kann die Steuervorrichtung 100 die optimale Einlassventilbetätigungsperiode für den Motorbremsbetriebszustand bestimmen. (Schritt 146). Der größte Bremseffekt kann erreicht werden, wenn man die Einlassventilbetätigungsperiode einstellt, um das Kompressionsverhältnis in dem Zylinder 22 zu maximieren, bevor man die Auslassventile 34 öffnet, um die komprimierten Gase abzugeben. Das größte Kompressionsverhältnis kann erreicht werden durch Einstellung der Einlassventilbetätigungsperiode, um dem herkömmlichen Verschluss zu folgen, der durch die Form der Einlassnocke 60 definiert wird, das heißt, wo die Einlassventile 32 geschlossen sind, wenn der Kolben 24 auf oder nahe der unteren Totpunktposition am Ende des Einlasshubes ist.
Jedoch kann ein übermäßiges Kompressionsverhältnis im Zylinder 22 eine oder mehrere Motorkomponenten beschädigen. Um diese Betätigung zu verhindern kann die Steuervorrichtung 100 die Einlassventilbetätigungsperiode basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen einstellen, um das maximale Kompressionsverhältnis im Zylinder 22 zu begrenzen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 100 die Einlassventilbetätigungsperiode einstellen, um die Bremsenleistung zu optimieren, ohne einen übermäßigen Druck aufzubauen, wenn der Einlassluftdruck, die Einlasslufttemperatur oder die Motordrehzahl sich verändern. Die optimale Einlassventilbetätigungsperiode für jeden unterschiedlichen Einlassluftdruck, für jede Einlasslufttemperatur und/oder für jede Motordrehzahl kann im Speicher 101 in der "Bremsenkarte" (Abbremsungskennfeld) gespeichert sein. Somit kann die Steuervorrichtung 100 beispielsweise die abgefühlte Motordrehzahl und den Einlassluftdruck verwenden, um auf die Bremsenkarte zuzugreifen, um die optimale Einlassventilbetätigungsperiode zu bestimmen.
Zusätzlich dazu, dass ein Motorschaden verhindert wird, kann die Steuerung der Einlassventilbetätigungsperiode während des Bremsbetriebszustandes auch die Kosten reduzieren, die mit der Konstruktion und der Herstellung eines Verbrennungsmotors assoziiert sind. Beispielsweise können viele Veränderungen an der Motorkonstruktion, wie beispielsweise eine Veränderung des Profils des Einlassnockenprofils oder des Auslassnockenprofils, durch eine Aktualisierung der "Bremsenkarte" kompensiert werden, die im Speicher 101 gespeichert ist. Dies kann die Notwendigkeit vermeiden, die Motorbremsenkomponenten jedesmal dann erneut auszulegen, wenn sich ein Nockenprofil verändert, weil die gleiche Motorbremsenkomponente in unterschiedlichen Motoren verwendet werden kann. Entsprechend kann die Anzahl der Motorbremsenkomponentenkonfigurationen reduziert werden, die auf Lager gehalten werden muss. Zusätzlich können die Kosten für die Entwicklung und für Werkzeuge reduziert werden, die mit der Herstellung der Motorbremsenkomponenten assoziiert sind.
Sobald die erwünschte Ventilbetätigungsperiode bestimmt wird, kann die Steuervorrichtung 100 dann das Richtungssteuerventil 88 steuern, um die Ventilbetätigungsvorrichtung 70 zu betätigen, um die erwünschte Ventilbetätigungsperiode zu erreichen. Die Steuervorrichtung 100 kann kontinuierlich die Betriebsparameter des Motors 20 überwachen und kann die Ventilbetätigungsperiode entsprechend einstellen. In dieser Weise kann die Steuervorrichtung 100 die Einlassventilbetätigungsperiode optimieren, um die Gesamtleistung des Motors 20 zu verbessern.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich wird, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System vor, um eine variable Ventilbetätigungsanordnung für einen Verbrennungsmotor zu steuern. Die Ventilbetätigungsperiode kann eingestellt werden, um die Leistung des Motors basierend auf den speziellen Betriebszustand des Motors zu optimieren. Wenn beispielsweise der Motor in einem Motorbremsbetriebszustand arbeitet, kann die Ventilbetätigungsperiode des Motors eingestellt werden, um den Vorteil bzw. die Ausnutzung der Motor Abbremsung basierend auf der abgefühlten Motordrehzahl und den Einlassluftdruckwerten zu maximieren. Die Ventilbetätigungsperiode kann weiter eingestellt werden, um eine Beschädigung des Motors zu verhindern, wie sie beispielsweise auftreten könnte, wenn der Motor dauernd hohen Kompressionsverhältnissen ausgesetzt ist.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und der praktischen Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Ventilbetätigungssystems für einen Motor, welches Folgendes aufweist: Betätigen einer Einlassnockenanordnung zur Bewegung eines Einlassventils zwischen einer ersten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss relativ zu einem Zylinder blockiert, und einer zweiten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder gestattet; Betätigen einer Auslassnockenanordnung zur Bewegung eines Auslassventils zwischen einer ersten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss blockiert, und einer zweiten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss zulässt; Betätigen einer Motorbremse, um selektiv das Auslassventil von der ersten Position in die zweite Position zu bewegen, wenn ein Kolben auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist; Abfühlen von mindestens einem Betriebsparameter des Motors; Bestimmung einer erwünschten Einlassventilbetätigungsperiode basierend auf dem mindestens einem Betriebsparameter; Koppelung einer Ventilbetätigungsvorrichtung mit dem Einlassventil, um zu verhindern, dass das Einlass Ventil aus der ersten Position ansprechend auf die Betätigung der Einlassnockenanordnung zurückkehrt; und Lösen der Ventilbetätigungsvorrichtung, um zu gestatten, dass das Einlassventil zu der ersten Position am Ende der bestimmten Ventilbetätigungsperiode zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter die Steigerung des Drukkes der Luft aufweist, die zum Zylinder geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, welches weiter das abfühlen des Druckes der Luft aufweist, die zu dem Zylinder bei einer Drehzahl des Motors geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, welches weiter den Zugriff auf eine Karte bzw. ein Kennfeld aufweist, die eine Beziehung zwischen dem Druck der Luft, die zum Zylinder geliefert wird, der Drehzahl des Motors und der erwünschten Ventilbetätigungsperiode definiert.
Ventilbetätigungssystem für einen Motor, welches Folgendes aufweist: ein Einlassventil, welches bewegbar ist zwischen einer ersten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss verhindert, und einer zweiten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss zulässt; eine Einlassnockenanordnung, die mit dem Einlassventil verbunden ist, um das Einlassventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen; ein Auslassventil, welches bewegbar ist zwischen einer ersten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss verhindert, und einer zweiten Position, wo das Auslassventil einen Strömungsmittelfluss zulässt; eine Auslassnockenanordnung, die mit dem Auslassventil verbunden ist, um das Auslassventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen; eine Bremsenbetätigungsvorrichtung, die selektiv betreibbar ist, um mit dem Auslassventil in Eingriff zu kommen, um das Auslassventil aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen; eine Ventilbetätigungsvorrichtung, die selektiv betreibbar ist, um mit dem Einlassventil in Eingriff zu kommen, und zu verhindern, dass das Einlassventil in die erste Position zurückkehrt; einen Sensor, der betreibbar ist, um einen Betriebsparameter des Motors abzufühlen; und eine Steuervorrichtung, die betreibbar ist, um eine Ventilbetätigungsperiode basierend auf dem abgefühlten Betriebsparameter des Motors zu bestimmen, und die Ventilbetätigungsvorrichtung zu betätigen, um zu verhindern, dass das Einlassventil in die erste Position für die bestimmte Ventilbetätigungsperiode zurückkehrt.
System nach Anspruch 5, wobei die Steuervorrichtung einen Speicher aufweist, der eine Karte bzw. ein Kennfeld speichert, die bzw. das eine Beziehung zwischen einer Motordrehzahl, einem Einlassluftdruck und der Ventilbetätigungsperiode definiert.
System nach Anspruch 6, wobei die bestimmte Ventilbetätigungsperiode geeignet ist, um den Betrieb der Bremsenbetätigungsvorrichtung zu optimieren.
System nach Anspruch 5, wobei der Sensor geeignet ist, um den Einlassluftdruck abzufühlen, und wobei das System weiter einen zweiten Sensor aufweist, der geeignet ist, um eine Drehzahl des Motors abzufühlen.
Motor, der ein Ventilbetätigungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8 aufweist, der weiter folgendes aufweist: einen Motorblock, der mindestens einen Zylinder definiert; und einen Kolben, der verschiebbar innerhalb des mindestens einen Zylinders angeordnet ist, um sich zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition hin und her zu bewegen.
Motor nach Anspruch 9, der weiter mindestens einen Turbolader aufweist, der geeignet ist, um den Druck eines Luftflusses zu steigern, der zu dem mindestens einen Zylinder geliefert wird.