DE19932644A1

DE19932644A1 - Verbrennungsmotor mit einer Hybrid-Ventilbetätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE19932644A1
Application number: DE19932644A
Authority: DE
Inventors: John Curtis Hickey
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1998-08-10
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2000-03-09
Also published as: FR2782119A1; US6148779A; US6009841A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) mit einem hin und her innerhalb eines Zylinders (14) bewegbaren Kolben (12) und Hybridansaugventilen, wobei ein Ansaugventil (1, 32) mittels einer Nockenwelle angetrieben ist und mindestens ein Ansaugventil (2, 24) selektiv über eine andere Energiequelle als die Nockenwelle, wie ein Solenoid, selektiv mit Energie versorgt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patent anspruches 1. Sie bezieht sich also auf einem Motor, in dem verschiedene Zylin derventile durch mehr als eine Art Betätigungseinrichtung betrieben werden.

Maschinenentwickler versuchen, die Treibstoffökonomie und das Verhalten der Automobilenergieversorgung zu verbessern, während die Motoremissionen verrin gert werden und haben das Konzept der variablen Ventilsteuerung lange unter sucht. Obwohl immer wieder zeitweilig versucht wurde, elektronisch angetriebene Ventile, wie Solenoid betriebene Ventile einzusetzen, war dies allgemein nicht er folgreich, da der Energiebedarf, um ein Ventil so weit zu öffnen, um die Luftbe schickung in den Motorzylinder während des Betriebes bei maximaler Leistung eintreten zu lassen, hoch war und die Treibstoffeffizienz des Motors ungünstig be einflußt. Dies ist insbesondere dann wahr, wenn Elektronik auf Abgasventile ange wendet wurde, die dann öffnen müssen, wenn der Zylinder sich unter positiven Druck befindet.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor anzugeben, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Motor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfah ren zum Betrieb eines gattungsgemäßen Motors nach Patentanspruch 14. Vorteil hafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird der Einsatz eines beliebig betreibbaren elektronisch angetriebenen Ansaug ventils in Kombination mit einem selektiv über eine angetriebene Nockenwellen betriebenen Ansaugventil und einem konventionell angetriebenen Nockenwelle betriebenen Abgasventil ermöglicht. Diese erfinderische Ventilanordnung, während Flexibilität der elektronisch gesteuerten Ventile möglich wird, erlaubt eine derartige Flexibilität bei mit stark verminderten Energieverbrauch.

Der Motor umfaßt einen hin und her bewegbaren, im Zylinder aufgenommenen Kolben, ein erstes Ansaugventil zum Zulassen frischer Beschickung in den Zylinder 14, wobei das erste Ansaugventil selektiv durch eine Nockenwelle angetrieben wird, sowie ein zweites Ansaugventil, das selektiv durch eine andere Energiequelle als eine Nockenwelle angetrieben wird. Zumindest ein Abgasventil ermöglicht es, Produkte der Verbrennung aus dem Motorzylinder 14 abzusaugen. Das Abgas ventil wird durch eine Nockenwelle angetrieben.

Das erste Ansaugventil das, wie oben erwähnt, durch eine Nockenwelle angetrie ben wird, kann selektiv über einen speziell ausgerichteten Nockenstößel in Eingriff gebracht werden, der betrieblich mit einer Motorsteuerung verbunden ist. Das zweite Ansaugventil kann durch eine elektrisch betriebene Betätigungseinrichtung, wie ein Solenoid, angetrieben sein. Alternativ kann das zweite Ansaugventil durch eine elektrohydraulische Betätigungseinrichtung betrieben werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Betrieb eines Motors mit einem Hybrid Zylinder Ventilsystem, das die Schritte:
Bestimmen der Motorlast, Zulassen frischer Beschickung in den Zylinder 14 mit tels eines beliebig betreibbaren Ansaug-Tellerventils mit einer relativ kleineren Öff nungsfläche, um die Beschickungsbewegung dann zu fördern, wenn die Motorlast sich im unteren Bereich befindet und frische Beschickung in den Zylinder durch ein Nockenwellen-betriebenes Ansaugventil dann, wenn sich die Motorlast im mittleren Bereich befindet, einzulassen. Schließlich umfaßt das Verfahren das Zulassen von neuer Beschickung in den Zylinder mittels sowohl des beliebig betreibbaren An saugventils und des Nockenwellen betriebenen Ventils dann, wenn die Motorlast hoch ist. Hier wird "niedrige Belastung" als Belastung im Bereich von 1 Bar mittlerer effektiver Druck (MEP) verstanden. Mittlere Belastung bedeutet Lasten im Bereich von 2,5 Bar MEP. Schließlich bezieht sich "schwere Last" auf MEP im Bereich von 7-10 Bar.

Vorteilhaft ist es, daß ein mit dem erfindungsgemäßen Hybridventilsystem ausge rüsteter Motor ein Verhalten, eingeschlossen Emissions- und Energieabgabever halten hat, das sich dem nähert, das durch ein vollständig willkürlich elektrisch be treibbares Tellerventilsystem geboten wird, aber ohne den dieses begleitenden Ventilsystem-Energieverlust und resultierender Treibstoffökonomienachteilen.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß ein elektrisch willkürlich betreibbares Tellerventil dazu eingesetzt werden kann, um eine starke Bewegung der Beschic kung innerhalb des Zylinders hervorzurufen, wodurch die Toleranz des Motors ge genüber Abgasrückführung erhöht und dadurch der Ausstoß von Stickstoffoxiden (NOx) aus dem Motor verringert wird.

Weitere Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden speziellen Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele, in der die Erfin dung anhand der begleitenden Zeichnung näher erläutert wird. Darin zeigt

Fig. 1-1A eine schematische Darstellung eines Motors mit einem Hybridzylinder-Ven tilsystem gemäß der Erfindung.

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgerüsteten Motorzylinder kopf, und

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Steuersystems zum Betrieb eines Motors gemäß der Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt der Motor 10 einen Kolben 12, der hin und her be wegbar im Zylinder 14 aufgenommen ist. Wie in den Fig. 1, 1A und 2 zu sehen, wird der Zylinder 14 durch das Nockenwellen-betriebene Ansaugventil 16, das will kürlich betreibbare Ansaugventil 24 und das Abgasventil 28 gesteuert, beginnend mit letzteren Ventil; nämlich dem Abgasventil 28 ist aus den Figuren ersichtlich daß die Nockenwelle 22 das Abgasventil 28 ohne die Befähigung, das Ventil 28 abzuschalten, antreibt. Mit anderen Worten arbeitet das Abgasventil 28 immer, wenn der Motor 10 betrieben wird. Diese Situation kontrastiert mit derjenigen der Ventile 16 und 24. Das Nockenwellen-betriebene Ansaugventil 16 wird selektiv durch die Nockenwelle 23 mittels einer Folgeeinrichtung 18 mit Energie versorgt. Die US Patente 5,544,626 und 5,653,198, die auf den Eigentümer der Erfindung übertragen wurden und auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird, umfas sen Mechanismen zur selektiven Energieversorgung eines Ventils. Diese selektive Fähigkeit ermöglicht es der Steuerung 36 (Fig. 3) das Nockenwellen-betriebene Ansaugventil 16 zu betreiben, falls eine größere Luftbeschickung bei mittlerer und hoher Motorlast benötigt wird, wie genauer weiter unten erläutert wird.

Das willkürlich betreibbare Ansaugventil 24 (Fig. 1A) wird durch das Solenoid 26 mit Energie versorgt. Das US Patent 4,777,915, auf das ebenfalls vollinhaltlich be zug genommen wird, umfaßt eines mehrerer Schemata zum Antrieb eines Teller ventils mittels eines elektrischen Solenoids. Dem Fachmann ist in Anbetracht die ser Lehre offensichtlich, daß unterschiedliche Kombinationen Solenoid und elek trohydraulische und hydraulischer Vorrichtungen für die selektive Energieversor gung eines Zylinderventils durch eine andere Energiequelle als Nockenwellen möglich sind, so daß das Ventil beliebig betreibbar ist.

Ein Vorteil eines beliebigen Ansaugventilbetriebs liegt darin, daß die Eliminierung der Überlappung zwischen den Betrieb der Ansaug- und Auslaßventile während des Lehrlaufs und bei Lastbetrieb die Verbrennungsstabilität fördert und vermin derte Motoremissionen von Kohlenwasserstoffen hervorruft, die dann steigen, wenn der Motor auf Grund von Ventilüberlappungen fehlzündet und begleitend Abgas in den Zylinder einführt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, betreibt die Steuerung 36 das Ansaugventil 1 und 2. Das Ansaugventil 1, das mit 32 in Fig. 3 bezeichnet wird, entspricht dem Ansaugventil 16 und seiner entsprechenden Betriebsausrüstung. Das Ansaugventil entspricht dem Ansaugventil 24 und seiner dazugehörigen Betriebshardware. Mehrere Sen soren 28 liefern Informationen zur Steuerung 36 über die Motorlast und andere erwünschte Parameter, wie Drosselventilposition, Motorkühlmitteltemperatur, Be schickungstemperatur, Zündfunkenabstimmung und andere Parameter, wie sie dem Fachmann bekannt sind und durch diese Lehre vorgeschlagen werden. Je denfalls ist allgemein der Fall, daß bei niedrigeren Motorlasten nur das beliebig betreibbare Ansaugventil 24 durch Steuerung 36 betrieben und das Ventil 24 durch die Steuerung 36 um einen kleineren Hub als das Ventil 16 geöffnet wird. Dies gilt sogar dann, wenn die Ventile 24 und 16 Köpfe aufweisen, die ungefähr den glei chen Durchmesser besitzen. Der Betrieb des willkürlich betreibbaren Ansaugventils 24 mit einer geringen Hubhöhe ermöglicht eine verstärkte Chargenbewegung in nerhalb des Zylinders 14, da die den Zylinder 14 betretende Charge dann, falls sie durch die kleine Öffnungsfläche, die durch das Ventil 24 geboten wird, eintritt, be schleunigt wird und dies wiederum zur erhöhter kinetischer Energie der Charge führt. Dies ist günstig,. da es die Verbrennungsstabilität des Motors verbessert. Die Tatsache, daß das Ventil 24 sich lediglich geringfügig öffnet, ist ferner insofern günstig, als es die für den Betrieb des Ventils notwendige elektrische Energie ver ringert.

Wenn die Motorlast steigt und der Motor 10 nicht mehr dazu im Stande ist, ausrei chend frische Charge über Ventil 24 einzuführen, wird das Ventil 16 dann aktiviert, wenn die Steuerung 36 ein Signal zum selektiven Stößel 18 liefert. Zu dem Zeit punkt beginnt das Ventil 16, sich wie ein konventionellen Ventil hin und her zu be wegen. Falls erwünscht, kann das Ventil 24 dann abgeschaltet werden, wenn das Ventil 16 betätigt wird, um einen Drehmomentstoß zu vermeiden, der andernfalls auf Grund des stark erhöhten Luftflusses durch beide Ventile auftreten würde. Demzufolge wird das Ventil 24 abgeschaltet, falls der Motor 10 einen Betriebszu stand erreicht, bei dem maximaler Luftfluß durch das Ventil 24 sich dem Luftfluß durch das Ventil 16 nähert. Demzufolge wird dann, falls die Motorlast weitersteigt, das Ventil 24 wiederum geöffnet, aber über ständig wachsende Zeitintervalle, um größere Luftbeschickung in den Motor zu lassen. Da das Ventil 24 beliebig geöff net werden kann, kann das Ventil 24 über Zeitintervalle offengehalten werden, die allgemein größer sind als die, die möglich wären, falls das Ventil 24 über die Noc kenwelle 23 betrieben würde.

Während die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert wurde, ist dem Fachmann offensichtlich, daß verschiedene andere Möglichkeiten zur Durchführung der Erfindung gegeben sind, ohne sich vom Schutzumfang, wie er durch die Ansprüche unter Zuhilfenahme der Beschreibung definiert ist, zu ent fernen.

Beispielsweise kann mehr als ein Abgasventil eingesetzt werden und des können mehr als ein Ansaugventil vorgesehen sein, die durch andere Mittel als eine Noc kenwelle angetrieben werden, als auch mehr als ein mit einer Nockenwelle ange triebenes Ansaugventil.

Bezugszeichenliste

1

erstes Ansaugventil

2

zweites Ansaugventil, willkürlich betreibbar

10

Motor

12

Kolben

14

Zylinder

16

Ansaugventil

18

Nockenstößel

20

22

Nockenwelle

23

Nockenwelle

24

beliebig durch

36

betreibbares Ansaugventil

26

28

Abgasventil

30

32

Ansaugventil, nockenwellenbetrieben

36

Steuerung

38

Sensoren

Claims

1. Verbrennungsmotor (10) mit:
einem in einem Zylinder (14) hin und her bewegbar aufgenommenen Kolben (12);
einem ersten Ansaugventil (1, 32) zum Einlaß von frischer Beschickung in den Zylin der (14), das selektiv durch eine Nockenwelle angetrieben wird;
einem zweiten Ansaugventil (2, 24) zum Einlassen freier Beschickung in den Zylinder (14), das selektiv durch eine andere Energiequelle als eine Nockenwelle angetrieben wird; und
mindestens einem Abgasventil (28), das die Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder (14) ausläßt, das durch eine Nockenwelle mit Energie versorgt wird.

2. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ansaugventil durch einen selektiv antreibbaren Nockenstößel (18), der durch eine Nockenwelle an getrieben wird, betrieben wird.

3. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ansaugven til durch eine elektrische Betätigungseinrichtung angetrieben wird.

4. Motor (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Betäti gungseinrichtung ein Solenoid aufweist.

5. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ansaugven til (2, 24) durch eine elektrohydraulischen Betätigungseinrichtung angetrieben sind.

6. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ansaugventil (1, 23) und das Abgasventil (28) durch eine einzige Nockenwelle angetrieben sind.

7. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ansaugventil (1, 32) und das Abgasventil (28) durch getrennte Nockenwellen angetrieben sind.

8. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedriger Motorlast frische Beschickung nur durch das zweite Ansaugventil (2, 24) eingelassen wird, wobei das erste Ansaugventil (1, 36) nur bei mittlerer Motorlast und sowohl das erste und zweite Ansaugventil bei hoher Motorlast einlassen.

9. Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ansaugven til und das erste Ansaugventil Tellerventile mit Köpfen gleichen Durchmessers sind wobei das zweite Ansaugventil (2, 24) einen kleineren Hub als das erste Ansaugventil (1, 32) besitzt.

10. Verbrennungsmotor (10) mit einem Hybridzylinder-Ventilsystem, gekennzeichnet durch:
einen in einem Zylinder (14) hin und her bewegbar aufgenommenen Kolben (12);
ein erstes Ansaug-Tellerventil (1, 32) zum Einlassen frischer Beschickung in den Zy linder (14) während des Betriebes bei mittleren und hohen Lasten, das selektiv durch eine Nockenwelle gesteuert wird;
ein zweites Ansaug-Tellerventil (2, 24) zum Einlassen frischer Beschickung in den Zylinder (14) während des Betriebes bei niedrigerer Last, das selektiv durch eine an dere Energiequelle als eine Nockenwelle betrieben wird; und
mindestens ein Abgasventil (28) zum Auslaß der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder (14), das durch eine Nockenwelle mit Energie versorgt wird.

11. Motor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei höheren Lasten das zweite Ansaugventil (2, 24) in Kombination mit dem ersten Ansaugventil (1, 32) betrieben wird.

12. Motor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe der ersten und zweiten Ansaugventile (1, 2, 24, 32) eine allgemein äquivalente Fläche aufweisen, wobei die Öffnungsfläche des zweiten Ansaugventils (2, 24) kleiner als die Öffnungs fläche des ersten Ansaugventils (1, 32) ist.

13. Motor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ansaug ventil unabhängig vom ersten Ansaugventil (1, 32) und dem mindestens einen Abgas ventil (28) betrieben werden kann.

14. Verfahren zum Betrieb eines Motors (10), der mindestens einen Zylinder (14) und ein Hybrid-Zylinderventilsystem aufweist, mit den Schritten:
Messen der Motorleistung;
Einlassen einer frischen Beschickung in den Zylinder mittels eines willkürlich betreib baren Ansaug-Tellerventils mit einer relativ geringen Öffnungsfläche, um die Beschic kungsbewegung zu fördern, wenn die Motorlast im unteren Bereich liegt;
Einlassen einer frischen Beschickung in den Zylinder mittels eines Nockenwellen be triebenen Ansaugventils, falls die Motorlast im mittleren Lastbereich liegt; und
Einlassen einer frischen Beschickung in den Zylinder mittels sowohl des willkürlich betreibbaren Ansaugventils als auch des Nockenwellen betriebenen Ventils, falls die Motorlast im hohen Lastbereich liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dann, falls die Mo torlast sich vom unteren Lastbereich zum mittleren Lastbereich bewegt, das willkürlich betreibbare Ansaugventil abgeschaltet und das Nockenwellen betriebene Ansaug ventil in einem Motorbetriebszustand betrieben wird, bei dem maximaler Luftfluß durch das willkürlich betreibbare Ventil sich dem Luftfluß durch das Nockenwellen betriebene Ventil nach Abschalten des willkürlich betreibbaren Ansaugventils nähert.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dann, falls die Mo torlast vom mittleren Bereich zum höheren Bereich steigt, das willkürlich betreibbare Ansaugventil ständig wachsende Zeitintervalle geöffnet wird.